_plc課程設計（論文）-五相十拍步進電動機控制程序設計與調試

1、<p><b>　　內容摘要</b></p><p>　　步進電動機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。步進電動機是一種控制精度極高的電機, 在工業(yè)上有著廣泛的應用。步進電動機具有快速起停、精確步進和定位等特點，所以常用作工業(yè)過程控制及儀器儀表的控制元件?；赑LC控制的步進電動機具有設計簡單，實現(xiàn)方便，參數(shù)設計置靈活等優(yōu)點。矩角特性是步進電機運行時一個很重要

2、的參數(shù)，矩角特性好，步進電機啟動轉矩就大，運行不易失步。改善矩角特性一般通過增加步進電機的運行拍數(shù)來實現(xiàn)。本文主要是介紹采用可編程控制器(PLC) 對五相2/3十拍步進電機進行控制的設計原理及方法進行分析。本文詳細的介紹了用PLC控制步進電機系統(tǒng)的原理，及硬件和軟件設計方法。其內容主要包括I/O地址分配、PIC外部接線圖、控制流程圖、梯形圖以及語句表。本文設計過程中使用了十六位移位寄存器，大大簡化了程序的設計，使程序更緊湊，方便了設計。

3、</p><p>　　關鍵詞: 步進電動機；總體方案；梯形圖；調試過程 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　內容摘要0</b></p><p><b>　　第1章 引言1</b></p><p>　　1．1

4、步進電動機簡介1</p><p>　　1．2 設計任務及要求1</p><p>　　1.2.1控制要求1</p><p>　　1.2.2功能要求2</p><p>　　1.2.3性能要求2</p><p>　　第2章 系統(tǒng)總體方案設計3</p><p>　　2．1設計的基本思路3&

5、lt;/p><p>　　2．2方案原理分析3</p><p>　　2.2.1 步進電動機的驅動控制3</p><p>　　2.2.2 步進電動機的調速控制4</p><p>　　2.2.3 步進電動機的轉向控制4</p><p>　　第3章 PLC控制系統(tǒng)設計5</p><p>　　3.1

6、 步進控制設計5</p><p>　　3.2 控制流程圖7</p><p>　　3.3 輸入輸出編址8</p><p>　　3.4 選擇PLC類型8</p><p>　　3.5 PLC外部接線圖8</p><p>　　3.6 梯形圖程序設計9</p><p>　　3.7 控制語句表

7、14</p><p>　　3.8 程序的調試17</p><p><b>　　結 論20</b></p><p><b>　　設計總結21</b></p><p><b>　　致 謝22</b></p><p><b>　　參考文獻2

8、3</b></p><p><b>　　第1章 引言</b></p><p>　　1．1 步進電動機簡介 </p><p>　　步進電機作為執(zhí)行元件，是電氣自動化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)和精密機械等領域。步進電動機具有快速起停、精確步進和定位等特點，所以常用作工業(yè)過程控制及儀器儀表的控制元件。目前，比較典型的控制

9、方法是用單片機產生脈沖序列來控制步進電機。但采用單片機控制，不僅要設計復雜的控制程序和I/O接口電路，實現(xiàn)比較麻煩。基于PLC控制的步進電動機具有設計簡單，實現(xiàn)方便，參數(shù)設計置靈活等優(yōu)點。步進電機廣泛應用于對精度要求比較高的運動控制系統(tǒng)中，如機器人、打印機、軟盤驅動器、繪圖儀、機械閥門控制器等。矩角特性是步進電機運行時一個很重要的參數(shù)，矩角特性好，步進電機啟動轉矩就大，運行不易失步。改善矩角特性一般通過增加步進電機的運行拍數(shù)來實現(xiàn)。&l

10、t;/p><p>　　步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。 </p><p>　　雖然步進電機已被廣泛地應用

11、，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。</p><p>　　1．2 設計任務及要求</p><p><b>　　1.2.1控制要求</b></p><p>　　1．五相步進電動機有五個繞組:

12、A、B、C、D、E </p><p>　　正轉順序: ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB</p><p>　　反轉順序: ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB</p><p>　　2．用五個開關控制其工作：</p><p>　　1 號開關控制其運行 ( 啟 / 停 )。<

13、/p><p>　　2 號開關控制其低速運行 (轉過一個步距角需 0.5 秒)。</p><p>　　3 號開關控制其中速運行 (轉過一個步距角需 0.1 秒)。</p><p>　　4 號開關控制其低速運行 (轉過一個步距角需 0.03 秒)。</p><p>　　5 號開關控制其轉向 ( ON 為正轉，OFF 為反轉 )。</p>

14、<p><b>　　1.2.2功能要求</b></p><p>　　對五相六拍步進電機的控制，主要分為兩個方面：五相繞組的接通與斷開順序控制。正轉順序：ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB 反轉順序：ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB以及每個步距角的行進速度。圍繞這兩個主要方面，可提出具體的控制要求如下

15、：</p><p><b>　　可正轉或反轉；</b></p><p>　　運行過程中，正反轉可隨時不停機切換；</p><p>　　步進三種速度可分為高速（0.03S），中速（0.1S）,低速（0.5S）三檔，并可隨時手控變速；</p><p><b>　　1.2.3性能要求</b></p&

16、gt;<p>　　在實現(xiàn)控制要求的基礎上，應使程序盡量簡潔﹑緊湊。另一方面，同一控制對象，根據(jù)生產的工藝流程不同，控制要求或控制時序會發(fā)生變化，此時，要求程序修改方便、簡單，即要求程序有較好的柔性。</p><p>　　第2章 系統(tǒng)總體方案設計</p><p>　　2．1設計的基本思路</p><p>　　在進行程序設計時，首先應明確對象的具體控制要求

17、。由于CPU對程序的串行掃描工作方式，會造成輸入輸出的滯后，而由掃描方式引起的滯后時間，最長可達兩個掃描周期，程序越長，這種滯后越明顯，則控制精度就越低。因此，在實現(xiàn)控制要求的基礎上，應使程序盡量簡潔﹑緊湊。另一方面，同一控制對象，根據(jù)生產的工藝流程不同，控制要求或控制時序會發(fā)生變化，此時，要求程序修改方便、簡單，即要求程序有較好的柔性。以SIMATIC移位指令為步進控制的主體進行程序設計，可較好的滿足上述設計要求。</p>

18、<p>　　2．2方案原理分析 </p><p>　　2.2.1 步進電動機的驅動控制</p><p>　　步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成機械位移的機電執(zhí)行元件，它實際上是一種多相或單相同步電動機。使用步進電動機時，只需要將單路單脈沖信號先通過脈沖分配器轉變?yōu)殡妱訖C所需的多路（單路）單脈沖信號，再經(jīng)功率放大后分別送入電動機各相繞組，即可使步進電動機準確運行。如圖2-1所示

19、，由于微機控制系統(tǒng)的輸出脈沖電流往往是毫安級的，而步進電動機的電子繞組需要很大的電流才可以驅動其旋轉，所以要使用功率放大器來驅動。</p><p>　　圖2-1 步進電動機的驅動控制</p><p>　　每當一個脈沖信號施于步進電動機的控制繞組時，其轉軸就會轉過一個步距角，從而可以轉換為角位移或線位移來帶動負載。</p><p>　　本課程設計采用移位寄存器MW0的

20、M0.0到M1.1的狀態(tài)來觸發(fā)后續(xù)的線圈帶電，先給MW0賦初值1000000000，再通過移位指令和循環(huán)指令使M1.1到M0.0依次置位，再根據(jù)真值表的狀態(tài)來驅動各相繞組的通斷電，從而來控制CP脈沖的頻率，能夠準確地控制電動機步進。</p><p>　　2.2.2 步進電動機的調速控制</p><p>　　在步進電動機的轉速控制中，采用軟件延時法，在每次換相后，調用一個延時子程序，待延時結

21、束后再次換相。這樣周而復始，即可發(fā)出一定頻率的CP 脈沖，從而控制步進電動機按照某一確定的轉速運轉。可以計算得出，延時子程序的延時時間與換相子程序所用時間的和即是CP脈沖的周期，也是步進電動機的步進頻率的倒數(shù)。</p><p>　　2.2.3 步進電動機的轉向控制</p><p>　　根據(jù)寄存器MW0的后十位的狀態(tài)能制定正反轉的電機繞組狀態(tài)的真值表，從而通過控制各相電樞繞組的通電順序來控制

22、電動機的轉向。</p><p>　　第3章 PLC控制系統(tǒng)設計</p><p>　　3.1 步進控制設計</p><p>　　采用移位指令進行步進控制。首先指定移位寄存器MW0，按照五相十拍的步進順序，移位寄存器的初值見表3-1。</p><p>　　表3-1 移位寄存器初值</p><p>　　每右移1位，電機前進一

23、個布局角（一拍），完成十拍后重新賦初值。其中M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7始終為“0”。據(jù)此，可作出移位寄存器輸出狀態(tài)及步進電機正反轉繞組的狀態(tài)真值表，如表3-2、表3-3所示。從而得出五相繞組的控制邏輯關系式：</p><p><b>　　正轉時：</b></p><p>　　A相 Q0.0=M1.1+M0.3+M0.2+M0.1+M0.

24、0</p><p>　　B相 Q0.1=M1.1+M1.0+M0.7+M0.1+M0.0</p><p>　　C 相Q0.2=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.5</p><p>　　D相 Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5+M0.4+M0.3</p><p>　　E相 Q0.4= M0.5+M0.4+M0.3+M0.2+M0

25、.1</p><p><b>　　反轉時：</b></p><p>　　A相 Q0.0=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.0</p><p>　　B相 Q0.1=M1.1+M1.0+M0.2+M0.1+M0.0</p><p>　　C相 Q0.2=M0.4+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0</p&

26、gt;<p>　　D相 Q0.3=M0.6+M0.5+M0.4+M0.3+M0.2</p><p>　　E相 Q0.4=M1.0 +M0.7+M0.6+M0.5+M0.4</p><p>　　表3-2 移位寄存器輸出狀態(tài)及步進電機繞組狀態(tài)真值表（正轉）</p><p>　　表3-3 移位寄存器輸出狀態(tài)及步進電機繞組狀態(tài)真值表（反轉）</p&g

27、t;<p><b>　　3.2 控制流程圖</b></p><p>　　由于上述具體控制要求，可作出步進電機在運行時的程序框圖，如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 五相2/3十拍步進電動機控制流程圖</p><p>　　由上圖3-1可知，以工作框圖為基本依據(jù)，結合考慮控制的具體要求，首先可將梯形圖程序分為4個模塊進行編

28、程，即模塊1：步進速度選擇；模塊2：正轉、反轉；模塊3：起動、停止；模塊4：移位控制功能模塊；模塊:5：A、B、C、D、E五相繞組對象控制。然后，將各模塊進行連接，最后經(jīng)過調試、完善、實現(xiàn)控制要求。</p><p>　　3.3 輸入輸出編址</p><p>　　控制步進電機的5個輸入開關及控制A、B、C、D、E五相繞組工作的輸出端在PLC中的I/O編址如表3-4所示。</p>

29、<p>　　表3-4 I/O地址分配表</p><p>　　3.4 選擇PLC類型</p><p>　　根據(jù)上圖的I/O分配表，有5個輸入5個輸出，通過查閱手冊可知，S7-200 CPU222有8個輸入6個輸出，故選擇S7-200 CPU222基本單元1臺</p><p>　　3.5 PLC外部接線圖</p><p>　　PLC

30、外部接線圖的輸入輸出設備、負載電源的類型等的設計就結合系統(tǒng)的控制要求來設定。步進電動機采用五相十拍控制外部接線圖如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 步進電動機采用五相十拍控制外部接線圖</p><p>　　3.6 梯形圖程序設計</p><p>　　梯形圖設計如下，首先，按SB1、SB2或SB3初次選擇一種步進速度， 五相步進電動機的速度由定時器T33控

31、制，把三個值50、10、3分別送到VW100可得到低速、中速、高速三種速度。再打開轉換開關QS1，M2.0得電，移位寄存器賦初值，電機開始轉動，且定時器開始計時，到設定值時，T33得電動作，移位寄存器值右移一位，C20計數(shù)一次，然后T33重新計時。計數(shù)十次后動作C20使移位寄存器重新賦值，依次循環(huán)。轉換開關QS2控制正反轉，ON時I0.4得五相步進電動機正轉，OFF時 I0.4失電五相步進電動機為反轉。關掉轉換開關QS1時，M20失電，

32、C20復位，電機停止轉動。</p><p><b>　?、?lt;/b></p><p><b>　　②</b></p><p><b>　　3.7 控制語句表</b></p><p>　　指令表編程語言類似于計算機中的助記符匯編語言，它是可編程控制器最基礎的編程語言。所謂指令表編程

33、，是用一個或幾個容易記憶的字符來代表可編程控制器的某種操作功能，語句表通常和梯形圖配合使用，互為補充。將該控制系統(tǒng)的梯形圖轉化為語句表如下所示：</p><p><b>　　3.8 程序的調試</b></p><p>　　1．利用S7 200仿真軟件來對本程序進行調試，調試步驟如下：</p><p>　　第一步．硬件的選擇：在菜單中點擊“配置”

34、，選擇CPU型號為222類型，運行結果如圖。</p><p>　　第二步．生成ASCII文本文件：在STEP7-MicroWin中打開編譯成功的OB1文件，點擊菜單命令 “文件”，選擇“導出”。</p><p>　　第三步．下載程序：執(zhí)行菜單命令“文件”，選擇“下載程序”，再選中生成的ASCII文件，確定即可。</p><p>　　第四步．模擬調試程序：點擊“運行”

35、按鈕，再按“監(jiān)控”按鈕進行狀態(tài)監(jiān)控，再進行各種控制要求的調試運行。</p><p><b>　　2．運行結果</b></p><p>　?。?）選擇CPU型號，運行結果如圖3-3所示</p><p>　　圖3-3 選擇CPU型號</p><p>　?。?）下載編好的程序，點擊運行、監(jiān)控，運行結果如圖3-4所示</p

36、><p><b>　　圖3-4 運行監(jiān)控</b></p><p>　?。?） 電機正轉，中速運行，再啟動開關后的運行結果如圖3-5所示</p><p><b>　　圖3-5 中速正轉</b></p><p>　?。?）電機正轉，低速運行結果如圖3-6所示</p><p><

37、b>　　圖3-6 低速正轉</b></p><p>　　（5）電機反轉，中速運行結果如圖3-7所示</p><p><b>　　圖3-7 中速反轉</b></p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　這次課程設計對我們而言是對所學課程內容掌握情況的一次自我驗證，

38、對所學內容的綜合應用能力的檢驗，它培養(yǎng)和訓練了我們的編程以及調試能力，進而提高了我們對學習和應用相關專業(yè)知識的興趣。通過本次設計我們的能力得到了鍛煉，因而有著極其重要的意義。</p><p>　　本次課程設計的內容是五相2/3十拍步進電動機控制程序的設計與調試，針對現(xiàn)在的PLC技術，實現(xiàn)一些設計。我們還應該加強PLC語句的練習，要能夠運用自如。此外還應掌握PLC的外部接線方法。</p><p&

39、gt;　　通過這次設計，我學會了PLC的基本編程方法，對PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在對理論的運用中，提高了我們的工程素質，在沒有做實踐設計以前，我們對知道的掌握都是思想上的，對一些細節(jié)不加重視，當我們把自己想出來的程序用到PLC中的時候，問題就出現(xiàn)了，不是不能運行，就是和運行的結果和要求的結果不相符合。在課程設計過程中我了解到，PLC并不是一門單一的編程技術，它是一門系列專業(yè)課程。首先要學好PLC本身的編程語言梯形圖

40、，語句表語言，達到這個水平你才能讀懂程序，進而可以設計一些工程學要求的程序。</p><p>　　在這次課程設計過程中也遇到了不少的問題和困難。我們大家在一起討論時，常會發(fā)生一件分歧，還有重要的一點就是大家的基礎知識不夠扎實，使得設計進度緩慢，必須不斷的在書本上學習新的知識來彌補不足等。但幸運的是，隨著課程設計的逐步進行，我們對種種問題進行了研究解決，最終才獲得了預期的成果。</p><p&g

41、t;<b>　　設計總結</b></p><p>　　機電控制技術是一門側重應用方向的學科。所以要多一點實踐。不要看不起小的項目，在其中你能總結出設計程序的邏輯思維方法，總結中不斷進步。</p><p>　　在學完PLC理論課程后我們做了課程設計，此次設計以分組的方式進行，每組有一個題目。由于平時大家都是學理論，沒有過實際開發(fā)設計的經(jīng)驗，拿到的時候都不知道怎么做。但通

42、過各方面的查資料并學習。我們基本學會了PLC設計的步聚和基本方法。分組工作的方式給了我與同學合作的機會，提高了與人合作的意識與能力。</p><p>　　通過這次設計實踐。我學會了PLC的基本編程方法，對PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在對理論的運用中，提高了我們的工程素質，在沒有做實踐設計以前，我們知道的都是思想上的，對一些細節(jié)不加重視。在課程設計過程中我了解到，PLC并不是一門單一的編程技術，它

43、是一門系統(tǒng)專業(yè)課程。PLC可以廣義的認為是一臺背嵌入操作系統(tǒng)的高可靠性PC機。首先需要精深PLC本身的編程語言梯形圖、語句表語言。達到這個水平你只能讀懂編好的程序，并可以設計一些工程需要程序。在一些大型程序中還需要用到數(shù)據(jù)庫的知識，LC入門很快但要不斷進取努力。</p><p>　　通過合作，我們的合作意識得到加強。合作能力得到提高。上大學后，很多同學都沒有過深入的交流，在設計的過程中，我們用了分工與合作的方式，

44、每個人互責一定的部分，同時在一定的階段共同討論，以解決分工中個人不能解決的問題，在交流中大家積極發(fā)言，和提出意見，同時我們還向別的同學請教。在此過程中，每個人都想自己的方案得到實現(xiàn)，積極向同學說明自己的想法。能過比較選出最好的方案。在這過程也提高了我們的表過能力。</p><p>　　在設計的過程中我們還得到了老師的幫助與意見。在學習的過程中，不是每一個問題都能自己解決，向老師請教或向同學討論是一個很好的方法，因

45、而做事要學思結合。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本次課程設計在研究過程中，王宗才老師多次詢問研究進程，設計過程中給予了我很大的指導和幫助，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。老師以其嚴謹求實的治學態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風和創(chuàng)新的進取精神對我產生重要影響。他淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟

46、迪。在他的引導下，我認識了有了設計的思路，極大的開拓了我的學術視野，也為本篇設計打下了理論基礎。</p><p>　　在這次設計中老師又給我提出了許多寶貴的意見。雖然我遇到了許多困難，但是我及時地和老師討論這些問題，最終問題都迎刃而解了。減少了我在這次設計中的困惑和完成時間。在論文撰寫方面更是給予了方向性的指導和建設性的意見和建議。</p><p>　　最后感謝在大學三年半期間，傳授我知識

47、的老師們，感謝在學習和生活上給予我?guī)椭耐瑢W們，沒有他們的幫助就沒有我今天的成績。經(jīng)過兩周的學習，本次課程設計已經(jīng)接近尾聲，作為一個在校學生，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，畢竟這次設計是我第一次進行電氣全面和系統(tǒng)的設計，疏漏和不足之處在所難免，可能存在許多細節(jié)未做到及時處理，請老師指正，以幫助我不斷提高，不斷進步。我相信通過這次全面系統(tǒng)的設計以及在這個過程中各位老師的不斷點撥，在今后的工作中我一定會做到更好。</p&

48、gt;<p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王宗才.機電傳動與控制.北京：電子工業(yè)出版社， 2011：247-260</p><p>　　[2] 程憲平.機電傳動與控制.華中科技大學出版社，2003：102-110</p><p>　　[3] 吳中俊，黃永紅.可編程控制器原理及應用.機械工業(yè)出版

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50、/p><p>　　[7] 于慶廣.可編程控制原理與系統(tǒng)設計.北京：清華大學出版社.2004:210-214</p><p>　　[8] 史國生.電器控制與可編程控制器技術.北京：化學工業(yè)出版社，2003：235-239</p><p>　　[9] 李媛.PLC原理與應用.北京：北京郵電大學出版社，2009：7-15</p><p>　　[1