機(jī)械畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于s7-200plc步進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制【全套圖紙】

1、<p><b>　　編號</b></p><p><b>　　無錫太湖學(xué)院</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p>　　題目： 基于S7-200PLC步進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制 </p><p>　　—步進(jìn)驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計 &l

2、t;/p><p>　　信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動化 專業(yè)</p><p>　　學(xué) 號： 　　　　　　</p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師：（職稱：副教授 ）</p><p>　　2013年5月25日</p><p>　　無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)

3、計（論文）</p><p><b>　　誠 信 承 諾 書</b></p><p>　　全套圖紙，加153893706</p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）基于S7-200PLC步進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制 —步進(jìn)驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝

4、的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。</p><p>　　班 級： 機(jī)械93 </p><p>　　學(xué) 號： 0923127 </p><p>　　作者姓名： </p><p>　　2013 年 5 月 25 日</p><p

5、><b>　　無錫太湖學(xué)院</b></p><p>　　信 機(jī)　系 　機(jī)械工程及自動化 　專業(yè)</p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計論 文 任 務(wù) 書</p><p><b>　　一、題目及專題：</b></p><p>　　1、題目 基于S7-200PLC步進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制

6、 </p><p>　　—步進(jìn)驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計 　　 </p><p>　　2、專題　 　</p><p>　　二、課題來源及選題依據(jù)</p><p>　　本課題是設(shè)計基于S7-200PLC步進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制。</p

7、><p>　　PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。</p><p>　　隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯控制器的功能不斷擴(kuò)展和完善，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制的范圍，具有了PID、A/D、D/A、算術(shù)

8、運算、數(shù)字量智能控制、監(jiān)控、通信聯(lián)網(wǎng)等多方面的功能，它已變成了實際意義上的一種工業(yè)控制計算機(jī)。PLC作為簡單化的計算機(jī)，以其通用性強(qiáng)、可靠性高、指令系統(tǒng)簡單、編程簡便易學(xué)、易于掌握、體積小、維修工作少、現(xiàn)場接口安裝方便等一系列優(yōu)點，在全世界廣泛應(yīng)用，為生產(chǎn)生活帶來巨大效益方便。</p><p>　　三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：</p><p>　　1、掌握步進(jìn)電機(jī)的原理及其驅(qū)動方

9、法。</p><p>　　2、掌握西門子S7-200 PLC的原理與程序設(shè)計方法。</p><p>　　3、掌握步進(jìn)電機(jī)的電氣控制試驗系統(tǒng)的工作原理。</p><p>　　4、基于該系統(tǒng)設(shè)計S7-200 PLC程序。</p><p><b>　　四、接受任務(wù)學(xué)生：</b></p><p>　　機(jī)械

10、93 班 　　姓名 </p><p>　　五、開始及完成日期：</p><p>　　自2012年11月12日 至2013年5月25日</p><p>　　六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）：</p><p>　　指導(dǎo)教師　　　　　　　簽名</p><p><b>　　簽名</b></p

11、><p><b>　　簽名</b></p><p><b>　　教研室主任</b></p><p>　　〔學(xué)科組組長研究所所長〕　　　　　　　簽名</p><p>　　系主任 　　　　　　簽名</p><p>　　2012年11月12日</p><

12、p><b>　　摘 要</b></p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)具有快速起停、精確步進(jìn)和定位等特點,所以常用作工業(yè)過程控制及儀器儀表，使用PLC可編程控制器實現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，可使步進(jìn)電動機(jī)的抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，同時，由于實現(xiàn)了模塊化結(jié)構(gòu)，是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分靈活，而且編程語言簡短易學(xué)，便于掌握，可以進(jìn)行在線修改，柔性好，體積小，維修方便。</p><p>　　本

13、設(shè)計是利用PLC做進(jìn)電動機(jī)的控制核心，用按鈕開關(guān)的通斷來實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)正,反轉(zhuǎn)控制，而且正，反轉(zhuǎn)切換無須經(jīng)過停車步驟。其次可以通過對按鈕的控制來實現(xiàn)對高，低速度的控制。充分發(fā)揮PLC的功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求，是設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的首要前提，這也是設(shè)計最重要的一條原則。本設(shè)計更加便于實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的制動化控制。其主要內(nèi)容如下：</p><p>　　1了解PLC控制步進(jìn)電機(jī)的工作原理</p>

14、;<p>　　2掌握PLC的硬件構(gòu)成，完成硬件選型</p><p>　　3設(shè)計PLC的控制系統(tǒng)</p><p>　　4用STEP 7完成PLC的編程</p><p>　　關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；PLC控制；電機(jī)正反轉(zhuǎn)；高低速控制</p><p><b>　　Abstract</b></p><

15、p>　　Stepper motor has a quick starts and stops, precision stepping and positioning features, commonly used for industrial process control and instrumentation, PLC programmable controller stepper motor drive can steppe

16、r motor anti-interference ability, high reliability, at the same time, due to the modular structure, the system structure is very flexible, and programming languages ??brief to learn, easy to master, can be modified onli

17、ne, good flexibility, small size, easy maintenance.</p><p>　　This design is the use of PLC built into the core of the motor control button to switch on and off to the stepper motor is the reverse control, an

18、d positive, reverse switch without having to go through the parking step. Followed by the button control to achieve the high and low speed control. Give full play to the functions of PLC as possible to meet the control r

19、equirements of the controlled object is the most important prerequisite for the design PLC control system, which is designed to the mo</p><p>　　An understanding of PLC control the working principle of the st

20、epper motor</p><p>　　2 grasp the PLC hardware structure, the completion hardware selection</p><p>　　3 Design of PLC control system</p><p>　　4 complete PLC programming with STEP 7<

21、;/p><p>　　Key words: Stepper motor; PLC control; motor reversing; high and low speed control</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要III</b></p><p>　

22、　AbstractIV</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 PLC步進(jìn)驅(qū)動控制系統(tǒng)研究和意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外PLC的發(fā)展1</p><p>　　1.3 國內(nèi)外步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展概況2</p><p>　　1.4 PLC步進(jìn)驅(qū)動控制

23、系統(tǒng)主要研究工作3</p><p>　　2 步進(jìn)電機(jī)及PLC簡介4</p><p>　　2.1 步進(jìn)電機(jī)簡介4</p><p>　　2.1.1 步進(jìn)電機(jī)的分類4</p><p>　　2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)4</p><p>　　2.1.3 步進(jìn)電機(jī)的特點5</p><p>　

24、　2.2 步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用5</p><p>　　2.3 PLC的特點6</p><p>　　2.4 PLC技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用6</p><p>　　3 PLC控制步進(jìn)電機(jī)工作方式的選擇8</p><p>　　3.1 常見的步進(jìn)電機(jī)的工作方式8</p><p>　　3.2 步進(jìn)電機(jī)控制原理8&

25、lt;/p><p>　　3.2.1 控制步進(jìn)電機(jī)換向順序8</p><p>　　3.2.2 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向8</p><p>　　3.2.3 控制步進(jìn)電機(jī)的速度8</p><p>　　3.3 PLC控制步進(jìn)電機(jī)的方法9</p><p>　　3.4 PLC控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計思路10</p><

26、;p>　　4 S7-200PLC控制步進(jìn)電機(jī)硬件設(shè)計12</p><p>　　4.1 S7-200PLC的介紹12</p><p>　　4.1.1 硬件系統(tǒng)12</p><p>　　4.1.2 軟元件13</p><p>　　4.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇14</p><p>　　4.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計

27、15</p><p>　　4.3.1 驅(qū)動器的選擇15</p><p>　　4.3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路16</p><p>　　4.3.3 驅(qū)動電路接口16</p><p>　　4.3.4 電氣原理圖17</p><p>　　4.4 PLC驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)17</p><p>　　5 S

28、7-200PLC控制步進(jìn)電機(jī)軟件設(shè)計19</p><p>　　5.1 STEP7-Micro/WIN32概述19</p><p>　　5.1.1 基本功能19</p><p>　　5.1.2 運動控制19</p><p>　　5.1.3 創(chuàng)建調(diào)制解調(diào)模塊程序19</p><p>　　5.2 程序的編寫21&

29、lt;/p><p>　　5.3 梯形圖程序設(shè)計22</p><p>　　5.3.1 CPU的選擇22</p><p>　　5.3.2 輸入輸出編址22</p><p>　　5.3.3 狀態(tài)真值表22</p><p>　　5.4 梯形圖程序23</p><p><b>　　6 總結(jié)

30、30</b></p><p>　　6.1 全文總結(jié)30</p><p>　　6.2 不足之處及展望30</p><p><b>　　致謝31</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p><b>　　1 緒論<

31、/b></p><p>　　1.1 PLC步進(jìn)驅(qū)動控制系統(tǒng)研究和意義 </p><p>　　基于步進(jìn)電動機(jī)良好的控制和準(zhǔn)確定位特性，被廣泛應(yīng)用在精確定位方面，諸如數(shù)控機(jī)床、噴繪機(jī)、工業(yè)控制系統(tǒng)、自動控制計算裝置、自動記錄儀表等自動控制領(lǐng)域。</p><p>　　隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯控制器的功能不斷擴(kuò)展和完善，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制的范圍，具有了

32、A/D、PID、D/A、算術(shù)運算、數(shù)字量智能控制、通信聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控等多方面的功能，它已變成了實際意義上的一種工業(yè)控制計算機(jī)。PLC 作為簡單化的計算機(jī)，以其可靠性高、通用性強(qiáng)、編程簡單易學(xué)、指令系統(tǒng)簡單、體積小、維修工作少、現(xiàn)場接口安裝方便、易于掌握等優(yōu)點，在全世界廣泛應(yīng)用，為生產(chǎn)生活帶來巨大效益方便。PLC 控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于組合機(jī)床自動生產(chǎn)線上的數(shù)控滑臺控制，可省去該單元的數(shù)控系統(tǒng)使該單元的控制系統(tǒng)成本降低 70～90%，而且只

33、占用自動線控制單元PLC <1KB的內(nèi)存及3～5個I/O接口。特別是在大型自動線中可以使控制系統(tǒng)的成本明顯下降。因此，通過研究用PLC來控制步進(jìn)電動機(jī)的，既可實現(xiàn)精確定位控制，又能降低控制成本，還有便于維護(hù)。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外PLC的發(fā)展 </p><p>　　PLC又稱可編程序控制器PC，是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相接合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機(jī)控制器的基

34、礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型控制器，是一種以微處理器為核心用作數(shù)字控制的專用計算機(jī)[1]。PLC是在20世紀(jì)60年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國科學(xué)家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲器，其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、計數(shù)和算術(shù)運算、順序控制等操作指令，并通過模擬的、數(shù)字的輸入和輸出，控生產(chǎn)過程或各種類型的機(jī)械?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計的。PLC自產(chǎn)生至今只有30多年的歷史，卻得到了廣泛應(yīng)用和迅速

35、發(fā)展，成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一。發(fā)展過程和產(chǎn)生，現(xiàn)代社會要求生產(chǎn)廠家對市場的需求做出迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多規(guī)格、多品種、高質(zhì)量和低成本的產(chǎn)品。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無法滿足這一要求，迫使人們?nèi)ふ乙环N新的控制裝置去取代它。　　自1969年針對工業(yè)自動控制的需求和特點而開發(fā)的第一臺PLC問世以來，迄今已經(jīng)30多年了，它的發(fā)展雖然包含了前期控制技術(shù)的演變和繼承，但又不同于通用的微機(jī)控制裝置和順序控制器。它不僅充分利用了微處理

36、器的優(yōu)點來滿足各</p><p>　　PLC自問世以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，在美、德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一。世界總銷售額不斷上升、生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)、品種不斷翻新。產(chǎn)量產(chǎn)值大幅上升但價格卻不斷的下降。</p><p>　　目前，世界上有200多個廠家生產(chǎn)PLC，比較有名的：美國：莫迪康公司、AB通用電氣；日本：富士、三菱、松下電工、歐姆龍；法國：TE施耐德公司；德國：西門子公

37、司；韓國：LG、三星公司等。</p><p>　　我國的PLC產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)經(jīng)歷了三個階段：順序控制器（1973～1979）——一位處理器為主的工業(yè)控制器（1979～1985）——8位微處理器為主的可編程序控制器（1985以后）。在對外開放政策的推動下，國外PLC產(chǎn)品大量進(jìn)入我國市場，一部分隨成套設(shè)備進(jìn)口。如寶鋼一、二期工程就引進(jìn)了500多套，還有秦皇島煤碼頭、汽車廠、咸陽顯像管廠等。現(xiàn)在，PLC在國內(nèi)的各行各

38、業(yè)也有了極大的應(yīng)用，技術(shù)含量也越來越高。</p><p>　　1.3 國內(nèi)外步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展概況</p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)已成為除交流電動機(jī)和直流電動機(jī)以外的第三類電動機(jī)，傳統(tǒng)電動機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過程中起著關(guān)鍵的作用。可是在人類社會進(jìn)入自動化時代的今天，傳統(tǒng)電動機(jī)的功能已不能滿足工廠自動化和辦公自動化等各種運動控制系統(tǒng)的要求。為適應(yīng)這些要求，發(fā)展了一

39、系列新的具備控制功能的電動機(jī)系統(tǒng)，其中都有自己特點，且應(yīng)用十分廣泛的一類便是步進(jìn)電動機(jī)[2]。</p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展與計算機(jī)工業(yè)有著密切關(guān)系。自從步進(jìn)電動機(jī)在計算機(jī)外圍設(shè)備中取代小型直流電動機(jī)以后，使設(shè)備的性能顯著提高，很快地促進(jìn)了步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展。另一方面，微型計算機(jī)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，又把作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進(jìn)電動機(jī)推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如小功率機(jī)械加工機(jī)床、電加工機(jī)床、光學(xué)、測量儀器、和

40、包裝機(jī)械以及醫(yī)療儀器等。任何一種產(chǎn)品成型的過程，基本上都是規(guī)格品種逐步統(tǒng)一和簡化的過程?，F(xiàn)在，步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展已歸結(jié)為爪極結(jié)構(gòu)的永磁式、單段式結(jié)構(gòu)的磁阻式和混合式三類。爪極永磁式電機(jī)價格便宜，性能指標(biāo)不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動機(jī)，由于混合式步進(jìn)電動機(jī)具有控制功率小，運行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導(dǎo)地位。最典型的產(chǎn)品是五相10極50齒和一些轉(zhuǎn)子100齒的二相和五相步進(jìn)電動機(jī)，五相電動機(jī)主要用于運行性能較高的場合，還有二相八極50

41、齒的電動機(jī)，步距角1.8°／0.9°（全步／半步）。到目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的磁阻式步進(jìn)電動機(jī)已極少見。</p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)最大的生產(chǎn)國是日本，如日本伺服公司、SANYO、東方公司、 DENKI、NPM及MINEBEA公司等，特別是日本東方公司，無論是電動機(jī)性能和外觀質(zhì)量，還是生產(chǎn)手段，都堪稱是世界上最好的。現(xiàn)在日本步進(jìn)電動機(jī)年產(chǎn)量（含國外獨資公司）近2億臺，德國也是世界上步進(jìn)電動機(jī)生

42、產(chǎn)大國。德國B.L.公司1994年五相混合式步進(jìn)電動機(jī)專利期滿后，推出了新的三相混合式步進(jìn)電動機(jī)系列，為定子6極轉(zhuǎn)子50齒結(jié)構(gòu)，配套電流型驅(qū)動器，每轉(zhuǎn)步數(shù)為200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步進(jìn)電動機(jī)的分辨率，在此基礎(chǔ)上再10細(xì)分，分辨率提高10倍，這是一種很好的方案，充分運用了電流型驅(qū)動技術(shù)的功能，讓三相電動機(jī)同時具備二相和五相電動機(jī)的性能。與此同時，日本伺服公司也推出了他們的

43、三相混合式步進(jìn)電動機(jī)。該公司阪正文博士研制了三種不同的永磁式三相步進(jìn)電動機(jī)，即HB型（混合式）、RM性（磁阻式）和爪極PM型。將三相步進(jìn)電動機(jī)同二相步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行比較后得出： </p><p>　?。?）在獲得小步距角方面，三相電動機(jī)比二相電動機(jī)要好。 </p><p>　　（2）三相電動機(jī)的兩相勵磁最大保持力矩為3T1（T1為單相勵磁轉(zhuǎn)矩），而二相電動機(jī)為 2T1，所以三相電動機(jī)的合成

44、力矩大。</p><p>　?。?）三相電動機(jī)連續(xù)2步用于半步的轉(zhuǎn)矩差比二相電動機(jī)的要小。</p><p>　?。?）三相電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動比二相電動機(jī)要小。</p><p>　?。?）三相電動機(jī)繞組可以星形連接，三個終端驅(qū)動，勵磁電路晶體管6個； 而二相電動機(jī)是8個。</p><p>　?。?）連續(xù)運轉(zhuǎn)時，由于三相步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)原因，磁通和電

45、流的三次諧波被消除了，所以三相電動機(jī)的振動力矩比二相電動機(jī)的要小.結(jié)論是顯而易見的。</p><p>　　另外的結(jié)論是混合式型電動機(jī)更適合于低速大轉(zhuǎn)矩用途；磁阻式型適用于平穩(wěn)運行以及轉(zhuǎn)速大于1000r/min的用途；而爪極型成本低，在高轉(zhuǎn)速時的大轉(zhuǎn)矩和低轉(zhuǎn)速時的振動方面，三相PM型電動機(jī)比兩相電動機(jī)的性能要好。因此，當(dāng)前最有發(fā)展前景的當(dāng)屬混合式步進(jìn)電動機(jī)[3]。</p><p>　　我國步

46、進(jìn)電機(jī)的研究及制造起始于本世紀(jì)50年代后期。從50年代后期到60年代后期，主要是科研機(jī)構(gòu)和高等院校為研究一些裝置而開發(fā)或使用少量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主。70年代初期，步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)和研究有所突破。除反映在驅(qū)動器設(shè)計方面的長足進(jìn)步外，對反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)本體的設(shè)計研究發(fā)展到一個較高水平。70年代中期至80年年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電機(jī)不斷被開發(fā)。自80年代中期以來，由于對步進(jìn)電機(jī)精確模型做了大量研究工作，各

47、種混合式步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器作為產(chǎn)品廣泛利用。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國步進(jìn)電機(jī)形成一種品種規(guī)格繁多的局面，其中最主要的產(chǎn)品系列，一是70年代形成的磁阻式步進(jìn)電動機(jī)系列產(chǎn)品在低端應(yīng)用仍有較多的市場，繼續(xù)生產(chǎn)；二是混合式步進(jìn)電機(jī)的系列產(chǎn)品，包括生產(chǎn)設(shè)備和引進(jìn)技術(shù)，按照國外的設(shè)計生產(chǎn)的二相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)，以及國內(nèi)自行開發(fā)生產(chǎn)的混合式步進(jìn)電動機(jī)，仍然擁有各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，短期內(nèi)很難統(tǒng)一到幾個限定的規(guī)格品種上。這種現(xiàn)狀對步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展是不利的[

48、4]。</p><p>　　1.4 PLC步進(jìn)驅(qū)動控制系統(tǒng)主要研究工作</p><p>　　掌握步進(jìn)電機(jī)的原理及其驅(qū)動方法，掌握西門子S7-200 PLC的原理與程序設(shè)計方法。掌握步進(jìn)電機(jī)的電氣控制試驗系統(tǒng)的工作原理，基于該系統(tǒng)設(shè)計S7-200 PLC程序，實現(xiàn)PLC對步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速控制。主要研究工作如下：</p><p>　?。?）了解PLC控制步進(jìn)電機(jī)的工作原理

49、</p><p>　?。?）掌握PLC的硬件構(gòu)成，完成硬件選型</p><p>　?。?）設(shè)計PLC的控制系統(tǒng)</p><p>　?。?）用STEP 7完成PLC的編程</p><p>　　2 步進(jìn)電機(jī)及PLC簡介</p><p>　　2.1 步進(jìn)電機(jī)簡介</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種將電

50、脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榫€位移或角位移的執(zhí)行元件。在經(jīng)歷了一個大的發(fā)展階段后，目前其發(fā)展趨于平緩。然而，由于電動機(jī)的工作原理和其它電動機(jī)有很大的差別，具有其它電動機(jī)所沒有的特性。因此，沿著小型、高效、低價的方向發(fā)展。</p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)由此而得名。步進(jìn)電動機(jī)的運行是在專用的脈沖電源供電下進(jìn)行的，其轉(zhuǎn)子的角位移量，或者說轉(zhuǎn)子走過的步數(shù)，與輸入脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電動機(jī)動態(tài)響應(yīng)快，控制性能好，只需改變輸入脈沖的順序，

51、就能方便地改變其轉(zhuǎn)向。另外，可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的加速度和速度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)速度的目的。這些特點使得步進(jìn)電動機(jī)與其它電動機(jī)有很大的差別。由上述步進(jìn)電動機(jī)的特點，使得由它和驅(qū)動控制器組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既具有較良好的控制性能，高的控制精度，又能可靠穩(wěn)定地工作。因此，在數(shù)字控制系統(tǒng)剛出現(xiàn)時，步進(jìn)電動機(jī)經(jīng)歷過一個巨大的發(fā)展階段[5]。</p><p>　　2.1.1 步進(jìn)電機(jī)的分類</p>

52、<p>　　按其工作方式分為功率式和伺服式：功率式輸出轉(zhuǎn)矩較大，能直接帶動較大的負(fù)載；伺服式輸出轉(zhuǎn)矩較小，只能帶動較小的負(fù)載，對于大負(fù)載需通過液壓放大元件來傳動。</p><p>　　按結(jié)構(gòu)分為單段式（徑向式）、多段式（軸向式）、印刷繞組式。</p><p>　　按使用頻率分為高頻步進(jìn)電動機(jī)和低頻步進(jìn)電動機(jī)。</p><p>　　按運動方式：旋轉(zhuǎn)運動、直線

53、運動、平面運動和滾切運動。</p><p>　　按工作原理：反應(yīng)式（磁阻式）、永磁式、永磁感應(yīng)子式（混合式）。</p><p>　　反應(yīng)式：定子上有轉(zhuǎn)子、繞組由軟磁材料組成。步距角小，成本低、結(jié)構(gòu)簡單、但效率低、動態(tài)性能差、發(fā)熱大，可靠性難以保證。 </p><p>　　永磁式：永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，定子的極數(shù)與轉(zhuǎn)子的極數(shù)相同。其特點是輸出力矩大、動態(tài)

54、性能好，但是電機(jī)精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）。 </p><p>　　混合式：混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點，其定子上有轉(zhuǎn)子、多相繞組上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上都有多數(shù)小齒以提高步矩精度。其特點是步距角小、輸出力矩大、動態(tài)性能好，但成本相對較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 </p><p>　　按定子上繞組來分，共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合

55、式步進(jìn)電機(jī)，約占97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細(xì)分驅(qū)動器后效果良好。該種電機(jī)的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅(qū)動器后，步距角減少為0.9°，配上細(xì)分驅(qū)動器后其步距角可細(xì)分達(dá)256倍（0.007°/微步）。由于制造摩擦力和精度等原因，實際控制精度略低。同一步進(jìn)電機(jī)可配不同細(xì)分的驅(qū)動器以改變精度和效果 [6]。</p><p>　　2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)<

56、/p><p>　　（1）電機(jī)固有步距角 </p><p>　　它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。電機(jī)生產(chǎn)時給出了一個步距角，這個步距角可稱之為“電機(jī)固有步距角”，它不一定是實際工作時的真正步距角，真正步距角與驅(qū)動器有關(guān)。</p><p><b>　?。?）保持轉(zhuǎn)矩 </b></p><p>　　保持轉(zhuǎn)矩是

57、指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速運行時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。因為步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩是隨著速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。例如，當(dāng)人們說4Nm的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為4Nm的步進(jìn)電機(jī)。 </p><p><b>　?。?） 鉗制轉(zhuǎn)矩 </b>

58、;</p><p>　　鉗制轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有鉗制轉(zhuǎn)矩。</p><p>　?。?）步進(jìn)電機(jī)的相數(shù) </p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)不同，其步距角也會不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/

59、1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細(xì)分驅(qū)動器時，主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的需求。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，則步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)就變得毫無意義，用戶只要在驅(qū)動器上更改細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角[7]。</p><p>　　2.1.3 步進(jìn)電機(jī)的特點</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的特點如下：

60、</p><p>　?。?）步進(jìn)電機(jī)沒有積累誤差：一般步進(jìn)電機(jī)的精度為實際步距角的百分之三到五，且不累積，具有良好的跟隨性。</p><p>　?。?）電動機(jī)輸出軸的角位移與輸入脈沖數(shù)成正比；轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比；轉(zhuǎn)向與通電相序有關(guān)。當(dāng)它轉(zhuǎn)動一周后，沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。</p><p>　?。?）由驅(qū)動電路與步進(jìn)電動機(jī)組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常非常可靠、

61、廉價又簡單。同時，它也能與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。</p><p>　?。?）步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及變速。</p><p>　?。?）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩。</p><p>　?。?）步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速不受負(fù)載大小的影響，不像普通電機(jī)，當(dāng)負(fù)載加大時就會出現(xiàn)速度下降的情況，所以步進(jìn)電機(jī)使用在對速度和位

62、置都有嚴(yán)格要求的場合。</p><p>　?。?）步進(jìn)電動機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。</p><p>　?。?）步進(jìn)電動機(jī)自身的噪聲和振動較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。</p><p>　?。?）步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源以及直流電源[8]。</p><p>　　2.2 步進(jìn)

63、電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，由于步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個數(shù)成正比，其速度與單位時間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)具有較好的控制性能，其啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及其它任何運行方式的改變都可在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，通過控制脈沖數(shù)可以很方便的控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角位移，且步進(jìn)電機(jī)的誤差不累積，能夠達(dá)到準(zhǔn)確定位的目

64、的。還可以通過控制頻率改變步進(jìn)電機(jī)的加速度和轉(zhuǎn)速，達(dá)到任意調(diào)速的目的，因此步進(jìn)電機(jī)可以廣泛的應(yīng)用于各種不同的系統(tǒng)領(lǐng)域中。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)具有明顯的優(yōu)勢超過其他電動機(jī)，這些優(yōu)勢與精密控制有關(guān)，以及其相對較低的成本，步進(jìn)電機(jī)有許多高科技技術(shù)應(yīng)用在程序上，例如機(jī)械手臂、磁盤驅(qū)動器、打印機(jī)、錄像機(jī)、機(jī)器人和遙控車等。另外步進(jìn)電機(jī)也廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動化系統(tǒng)中。</p><p>　　

65、2.3 PLC的特點</p><p>　?。?）通用性強(qiáng)，使用方便。由于PLC產(chǎn)品的模塊化和系列化，PLC配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用。當(dāng)控制對象的硬件配置確定以后就可通過修改用戶程序，快速方便地適應(yīng)工藝條件的種種變化。</p><p>　?。?）功能性強(qiáng)，適用面廣?，F(xiàn)代PLC不僅具有計時、計數(shù)、邏輯運算、順序控制等功能，而且還具有D/A和A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)值運算等功能。

66、因此，它既可對模擬量進(jìn)行控制，也可對開關(guān)量進(jìn)行控制，既可控制1條生產(chǎn)線、1臺生產(chǎn)機(jī)械，也可控制1個生產(chǎn)過程。PLC還具有通訊聯(lián)絡(luò)功能，可與上位計算機(jī)構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)遙控功能。</p><p>　　（3）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。絕大多數(shù)用戶都把可靠性作為選擇控制裝置的前提條件。針對PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的，故采取了一系列軟件和硬件抗干擾措施。硬件方面，隔離是抗干擾的主要措施之一。PLC的輸入、

67、輸出電路一般用光電耦合器來傳遞信號，使外部電路與CPU之間無電路聯(lián)系， 有效地抑制了外部干擾源對PLC的影響，同時，還可防止外部高電壓竄入 CPU模塊。濾波是抗干擾的另一主要措施，在PLC的I/O模塊和電源電路中， 設(shè)置了多種濾波電路，對高頻干擾信號有很好的抑制作用。軟件方面，設(shè)置故障檢測與診斷程序。釆用以上抗干擾措施后，一般PLC無故障平均時間可達(dá)到4 萬?5萬小時。</p><p>　　（4）編程方法簡單，容

68、易掌握。PLC配備有易于掌握和接受的梯形圖語言。 該語言編程表達(dá)方式和元件的符號與繼電器控制電路原理圖相當(dāng)接近。</p><p>　　（5）控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試和維修方便。PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的計數(shù)器等部件、時間繼電器、中間繼電器，控制柜的設(shè)計、安裝接線工作量大為減少。PLC的用戶程序大都可以在實驗室模擬調(diào)試，調(diào)試好后再將PLC控制系統(tǒng)安裝到生產(chǎn)現(xiàn)場，進(jìn)行聯(lián)機(jī)統(tǒng)調(diào)。在維修方面，PLC的

69、故障率很低，且有完善的診斷和實現(xiàn)功能，一旦PLC外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障，就可根據(jù)PLC上發(fā)光二極管或編程器上提供的信息，快速查明原因。若是PLC本身問題，則可更換模塊，快速排除故障，維修極為方便。</p><p>　　（6）質(zhì)量小、體積小、功耗低，由于PLC是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制設(shè)備的新型產(chǎn)品，因而結(jié)構(gòu)緊湊，堅固，體積小，質(zhì)量小，功耗低，而且具有很好的抗震性和適應(yīng)環(huán)境溫度、濕度變化的能力。因此，P

70、LC很容易裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，是實現(xiàn)機(jī)電一體化較理想的控制設(shè)備[9]。</p><p>　　PLC控制系統(tǒng)既具有較高的控制精度，良好的控制性能，又能穩(wěn)定可靠地工作。</p><p>　　2.4 PLC技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用</p><p>　　隨計算著微電子技術(shù)發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制、順序控制的范圍。繼續(xù)沿著小型化的方向

71、發(fā)展。隨著電動機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動機(jī)也必須越來越小。對電動機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動機(jī)本體綜合設(shè)計在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性。向五相和三相電動機(jī)方向發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動機(jī)，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機(jī)具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動機(jī)而言，五相電動機(jī)的驅(qū)動電路比三相電動機(jī)復(fù)雜，因此三相電動機(jī)系統(tǒng)的性能價格比要比五

72、相電動機(jī)更好一些[10]。</p><p>　　目前利用可編程序控制器（即PLC技術(shù)）可以方便地實現(xiàn)對電機(jī)速度和位置的控制，方便地進(jìn)行各種步進(jìn)電機(jī)的操作，完成各種復(fù)雜的工作，它代表了先進(jìn)的工業(yè)自動化革命，加速了機(jī)電一體化的實現(xiàn)。</p><p>　　用PLC對步進(jìn)電機(jī)也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運動控制功能，現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。</p><p>　

73、　步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當(dāng)對其施加一個電脈沖時，其輸出軸便轉(zhuǎn)過一個固定的角度。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的頻率、數(shù)量及電機(jī)繞組通電的相序，便可控制步進(jìn)電機(jī)的速度、輸出位移量和轉(zhuǎn)向。PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由PLC和步進(jìn)電機(jī)組成，PLC具有實時刷新技術(shù)，輸出信號的

74、頻率可以達(dá)到數(shù)千赫茲或更高，使得脈沖分配能有很高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個系統(tǒng)的快速性。并且，PLC有采用大功率晶體管的輸出端口，能夠滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)10V級脈沖電壓、1A級脈沖電流的驅(qū)動要求。</p><p>　　3 PLC控制步進(jìn)電機(jī)工作方式的選擇</p><p>　　3.1 常見的步進(jìn)電機(jī)的工作方式</p><p>　　常見的步

75、進(jìn)電機(jī)的工作方式有以下三種：</p><p>　　1.三相單三拍：A→B→C→A</p><p>　　圖3.1 三相單三拍工作方式時序圖</p><p>　　2.三相雙三拍：AB → BC → CA → AB</p><p>　　圖3.2 三相雙三拍工作方式時序圖</p><p>　　3.三相六拍：A→AB→B→BC→

76、C→CA →A</p><p>　　圖3.3 三相六拍工作方式時序圖</p><p>　　3.2 步進(jìn)電機(jī)控制原理</p><p>　　3.2.1 控制步進(jìn)電機(jī)換向順序</p><p>　　通電換向這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三相三拍工作方式，其各相通電順序為A→B→C→A，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C、D

77、相的通斷。</p><p>　　3.2.2 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向</p><p>　　如果給定工作方式正序通電換相，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 </p><p>　　3.2.3 控制步進(jìn)電機(jī)的速度</p><p>　　每次給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)動一步。兩個脈沖的間隔時間越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動得越快。調(diào)節(jié)發(fā)出的脈沖頻

78、率，就能對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。 </p><p>　　3.3 PLC控制步進(jìn)電機(jī)的方法</p><p>　　在本設(shè)計中使用PLC控制步進(jìn)電機(jī)，可使用PLC產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)所需要的各種時序的脈沖。三相步進(jìn)電機(jī)可采用三種工作方式：三相單三拍，三相雙三拍，三相單六拍。這三種方式的主要區(qū)別是:電機(jī)繞組的通電、放電時間不同。工作方式是單三拍時通電時間最短，雙三拍時允許放電時間最短，六拍時通電時間和

79、放電時間最長。因此，同一脈沖頻率時，六拍的工作方式出力最大。而且，電機(jī)是三拍的工作方式時，其分辨率為3度，六拍的工作方式時，分辨率是1.5度。所以，在本課題中，我們采用三相六拍的工作方式，在這種控制方式下工作，步進(jìn)電機(jī)的運行特性好，步進(jìn)電機(jī)分辨率最高。</p><p>　　三相六拍步進(jìn)電機(jī)是一典型徑向分相、單定子、反應(yīng)式伺服電機(jī)。其結(jié)構(gòu)原理圖與普通電機(jī)一樣, 分為轉(zhuǎn)子和定子兩個部分, 其中定子又可分為定子繞組和定

80、子鐵芯。定子鐵芯由電工鋼片疊壓而成。定子繞組繞制在定子鐵芯上, 六個均勻分布齒上的線圈, 在直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯(lián)在一起, 構(gòu)成一相控制繞組。三相步進(jìn)電機(jī)可構(gòu)成三相控制繞組, 若任一相繞組通電, 便形成一組定子磁極。在定子的每個磁極上, 即定子鐵芯上的每個齒上開了五個小齒, 齒槽等寬, 齒間夾角為9°, 轉(zhuǎn)子上沒有繞組, 只有均勻分布的個40小齒, 齒槽也是等寬的, 齒間夾角也是, 與磁極上的小齒一致。此外, 三相

81、定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開1／3齒距,。當(dāng)A相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒對齊時, B相磁極上的齒剛好超前或滯后轉(zhuǎn)子齒輪1／3齒距角, C相磁極齒超前或滯后轉(zhuǎn)子齒2／3齒距角。</p><p>　　三相六拍步進(jìn)電機(jī)的工作原理：當(dāng)A相繞組通電時, 轉(zhuǎn)子的齒與定子AA上的齒對齊。若A相斷電, B相通電, 由于磁力的作用, 轉(zhuǎn)子的齒與定子BB上的齒對齊, 轉(zhuǎn)子沿順時針方向轉(zhuǎn)過3°, 如果控制線路不停地

82、按A→B→C→A的循環(huán)順序控制步進(jìn)電機(jī)繞組的通電、斷電, 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子便不停地順時針轉(zhuǎn)動, 這是三相三拍工作原理。而當(dāng)AB同時通電時, 由于兩個磁力的作用, 定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次, 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1.5°，原理與三相三拍相同,從而形成三相六拍, 其通電順序為：</p><p>　　正轉(zhuǎn)A→AB→B→BC→C→CA →A</p><p>　　反轉(zhuǎn)A→AC→C→CB→B→BA →

83、A</p><p>　　可根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作方式，以及所要求的頻率（步進(jìn)電機(jī)的速度），畫出A、B、C各相的時序圖。并使用PLC產(chǎn)生各種時序的脈沖。例如：本設(shè)計采用西門子S7-200PLC控制三相步進(jìn)電機(jī)的過程。</p><p>　　圖3.4 三相單六拍正向時序圖</p><p>　　3.4 PLC控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計思路</p><p>　　典

84、型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖3.5所示：</p><p>　　圖3.5 典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)</p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成線位移或者角位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個大的發(fā)展階段后，日前其發(fā)展趨向平緩。然而，其基本原理是不變的，即：是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當(dāng)對其施加一個電脈沖時，其輸出轉(zhuǎn)過一個固定的角度。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖

85、個數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的脈沖順序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電的順序，便可控制步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)的機(jī)理是基于最基本的電磁鐵作用，可簡單地定義為，根據(jù)輸人的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度或長度，若不改變勵磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動機(jī):從廣義上講，步進(jìn)電動機(jī)是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電機(jī)，也可看作是在一定頻

86、率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電動機(jī)。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動方法很多，按照使用的控制裝置來分可以分為:普通集成工業(yè)控制機(jī)控制電路控制、、可編程控制器控制、單片機(jī)控制等幾種；按照控制結(jié)構(gòu)可分為:硬脈沖生成器硬脈沖分配結(jié)構(gòu)(硬-硬結(jié)構(gòu))、軟脈沖生成器軟脈沖分配器結(jié)構(gòu)(軟-軟結(jié)構(gòu))、軟脈沖生成器硬脈沖分配器結(jié)構(gòu)(軟-硬結(jié)構(gòu)) [11]。</p><p><b>

87、;　?。?）硬——硬結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　如圖3.6所示，這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動系統(tǒng)由硬件電路脈沖生成器、硬件電路脈沖分配器、驅(qū)動器組成。這種控制驅(qū)動方式運行速度比較快，但是功能單一，電路復(fù)雜。</p><p><b>　?。?）軟——軟結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　如圖3.7所示，這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動系統(tǒng)由軟件程

88、序脈沖生成器、軟件程序脈沖分配器、驅(qū)動器組成，而軟件脈沖生成器和脈沖分配器都有微處理器或微控制器通過編程實現(xiàn)。用工業(yè)控制機(jī)、單片機(jī)、可編程序控制器控制步進(jìn)電機(jī)、普通個人計算機(jī)一般均可采用這種結(jié)構(gòu)。這種控制驅(qū)動方法電路結(jié)構(gòu)簡單、可以實現(xiàn)復(fù)雜的功能，但是占用CPU時間多，給微處理器運行其他工作造成困難。</p><p><b>　?。?）軟——硬結(jié)構(gòu)</b></p><p&g

89、t;　　如圖3.8所示，這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動系統(tǒng)由軟件脈沖生成器、硬件脈沖分配器和硬件驅(qū)動器組成。硬件脈沖分配器是通過脈沖分配器芯片來實現(xiàn)通電換相控制的。這種控制驅(qū)動方法電路結(jié)構(gòu)簡單、可以實現(xiàn)復(fù)雜的功能，同時占用CPU時間較少，用可編程控制器全部實現(xiàn)了驅(qū)動器和控制器的功能。在PLC中，由軟件代替了脈沖生成器和脈沖分配器，直接對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行并行控制，并且由PLC輸出端口直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。如圖3.7所示，這是一種軟-軟結(jié)構(gòu)，脈沖生成器和脈

90、沖分配器均有可編程序控制器程序?qū)崿F(xiàn)。</p><p>　　圖3.6 硬硬結(jié)構(gòu)控制</p><p>　　圖3.7 軟軟結(jié)構(gòu)控制</p><p>　　圖3.8 軟硬結(jié)構(gòu)控制</p><p>　　4 S7-200PLC控制步進(jìn)電機(jī)硬件設(shè)計</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動方法很多，按照使用的控制裝置來分可以分為:普通

91、集成電路控制、單片機(jī)控制、工業(yè)控制機(jī)控制、可編程控制器控制等幾種[12]。</p><p>　　本設(shè)計選用西門子S7-200 PLC通過控制驅(qū)動器來控制步進(jìn)電機(jī)。</p><p>　　4.1 S7-200PLC的介紹</p><p>　　S7-200PLC是德國西門子公司生產(chǎn)的一種小型整體式PLC，其許多功能可達(dá)到大、中型PLC的水平，而價格卻與小型PLC的一樣，因

92、此，它一經(jīng)推出，就受到了廣泛的關(guān)注。在2000年以前，西門子在中國市場的PLC產(chǎn)品主要是大中型PLC，日本的小型PLC占據(jù)了中國大部分的市場份額。在S7-200PLC推出后，這種情況得到了明顯的改善，最近幾年來的小型PLC市場上S7-200PLC成為了主流產(chǎn)品。</p><p>　　西門子最早的小型PLC產(chǎn)品是在上世紀(jì)末推出的S7-200CPU21*系列的PLC，但很快就被CPY22*系列的產(chǎn)品所取代了。由于它具

93、有多種功能模塊和人機(jī)界面（HMI）可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC網(wǎng)絡(luò)。同時它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設(shè)計時更加簡單，幾乎可以完成任何功能的控制任務(wù)。現(xiàn)在最新版的S7-200PLC系列PLC是在2004年推出的，它的主要特點是：較高的可靠性、豐富的指令集、豐富的內(nèi)置集成功能、實時特性強(qiáng)和強(qiáng)大的通信能力[13]。</p><p>　　從CPU模塊的功能來

94、看，SIMATIC S7-200系列小型PLC發(fā)展至今，大致經(jīng)歷了兩代：第一代產(chǎn)品，其CPU模塊為CPU 21X，主機(jī)都可進(jìn)行擴(kuò)展，它具有四種不同配置的CPU單元：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216，本書不介紹該產(chǎn)品。第二代產(chǎn)品，其CPU模塊為CPU 22X，主機(jī)都可進(jìn)行擴(kuò)展，它具有五種不同配置的CPU單元：CPU 221，CPU 222，CPU 224和CPU 226和CPU226XM，除CPU 221之

95、外，其它都可加擴(kuò)展模塊，是目前小型PLC的主流產(chǎn)品。本書將介紹CPU22X系列產(chǎn)品。對于每個型號，西門子廠家都提供有產(chǎn)品貨號，根據(jù)產(chǎn)品貨號可以購買到指定類型的PLC。</p><p>　　CPU 22X 系列具有不同的技術(shù)性能，使用于不同要求的控制系統(tǒng)：CPU 221：用戶程序和數(shù)據(jù)存儲容量較小，有一定的高速計數(shù)處理能力，適合用于點數(shù)少的控制系統(tǒng)。CPU222：和CPU221相比，它可以進(jìn)行一定模擬量的控制，

96、可以連接2個擴(kuò)展模塊，應(yīng)用更為廣泛。CPU224：和前兩者相比，存儲容量擴(kuò)大了一倍，有內(nèi)置時鐘，它有更強(qiáng)的模擬量和高速計數(shù)的處理能力，使用很普遍。CPU 226：和CPU224相比，增加了通信口的數(shù)量，通信能力大大增強(qiáng)，可用于點數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。CPU226XM：它是西門子公司推出的一款增強(qiáng)型主機(jī)，主要在用戶程序和數(shù)據(jù)存儲容量上進(jìn)行了擴(kuò)展，其他指標(biāo)和CPU 226相同。</p><p>

97、　　4.1.1 硬件系統(tǒng)</p><p>　　S7-200PLC屬于小型PLC，其主機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是整體式，主機(jī)上有一定數(shù)量的輸入/輸出(I/O)點，一個主機(jī)單元就是一個系統(tǒng)。它還可以進(jìn)行靈活的擴(kuò)展，如果(I/O)點不夠，則可增加(I/O)擴(kuò)展模塊；如果需要其他特殊功能，如特殊通信或定位控制等，則可以增加相應(yīng)的功能模塊。</p><p>　　一個完整的系統(tǒng)組成如圖4.1所示：</p&g

98、t;<p>　　圖4.1 S7-200PLC系統(tǒng)組成</p><p>　　主機(jī)單元：主機(jī)單元，又稱基本單元或CPU模塊。它由CPU、存儲器、基本輸入/輸出點和電源等組成，是PLC的主要部分。實際上它就是一個完整的控制系統(tǒng)，可以單獨完成一定的控制任務(wù)。</p><p>　　擴(kuò)展單元：擴(kuò)展單元，又稱擴(kuò)展模塊。當(dāng)主機(jī)I/O點數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時，用戶可以根據(jù)需要擴(kuò)展各種I/

99、O模塊。根據(jù)I/O點數(shù)不同、性質(zhì)不同、供電電壓不同，I/O擴(kuò)展模塊有多種類型。每個CPU所能連接的擴(kuò)展單元的數(shù)量和實際所能使用的I/O點數(shù)是由多種因素共同決定的。</p><p>　　特殊功能模塊：當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)時，需要擴(kuò)展功能模塊。它們是完成某種特殊控制任務(wù)的一些裝置，如運動特殊通信模塊、控制模塊等。</p><p>　　相關(guān)設(shè)備：相關(guān)設(shè)備是為充分和方便利用系統(tǒng)的硬件和

100、軟件資源而開發(fā)、使用的一些設(shè)備，主要有人機(jī)操作界面、編程設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。</p><p>　　軟件：軟件是為管理和使用這些設(shè)備而開發(fā)的與之相配套的程序，對S7-200PLC來說，與之配套的軟件主要有STEP7-Micro/WIN和HMI人機(jī)界面的組態(tài)編程軟件Pro Tool、Win CC flexible。</p><p><b>　　4.1.2 軟元件</b>&l

101、t;/p><p>　　用戶使用的PLC中的每一個輸入/輸出、內(nèi)部存儲單元、定時器和計數(shù)器等都稱作軟元件。軟元件是PLC內(nèi)部的具有一定功能的器件，這些器件實際上是由電子電路和寄存器及存儲器單元等組成。為了把這種元器件和傳統(tǒng)電氣控制電路中的繼電器區(qū)別開來，把它們成為軟元件或者軟繼電器。它們最大的特點是：</p><p>　　軟元件是看不見、摸不著的，不存在物理性的觸點；</p>&l

102、t;p>　　每個軟元件可提供無限個常開觸點和常閉觸點；</p><p>　　功耗低、體積小、壽命長。</p><p>　　常用軟元件有：輸入繼電器（I）、通用輔助繼電器(M)、輸出繼電器(Q)、特殊繼電器(SM)、局部變量存儲器(L)、變量存儲器(V)、順序控制繼電器(S)、計數(shù)器(C)、定時器(T)、模擬量輸入映像寄存器(AI)、高速計數(shù)器(HC)、模擬量輸出映像寄存器(AQ)、累

103、加器(AC)等。</p><p>　　4.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇</p><p>　　本設(shè)計所使用的步進(jìn)電機(jī)選用的型號是75BF003的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。該型號的步矩角為1.5/3度。相電壓30V，相電流4A，保持轉(zhuǎn)距0.882N·m(1.2kg·cm)，引線6條，空載啟動頻率1250Hz，額定功率0.37kW，絕緣等級E。規(guī)格：D為75mm； D1為31mm；　高H為2

104、mm； d為8mm；E為18mm；L為60mm； D2為68mm；MS為4-M3。</p><p>　　圖4.2 75BF三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)尺寸</p><p>　　三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖所示。 定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成的。定子的每對極上都繞有一對繞組，構(gòu)成一相繞組，共三相稱為A、B、C相。</p><p>　　圖4.3 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

105、圖</p><p>　　在定子磁極和轉(zhuǎn)子上都開有齒分度相同的小齒，采用適當(dāng)?shù)凝X數(shù)配合，當(dāng)A相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒一一對應(yīng)時，B相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒相互錯開1/3齒距，C相則錯開2/3齒距。如圖4.4所示：</p><p>　　圖4.4 A相通電定轉(zhuǎn)子錯開示意圖</p><p>　　電機(jī)的位置和速度由繞組通電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由繞組通電的順序

106、決定。</p><p>　　4.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)必須有驅(qū)動器和控制器才能正常工作。驅(qū)動器的作用是對控制脈沖進(jìn)行功率放大、環(huán)形分配，使步進(jìn)電機(jī)繞組按一定順序通電，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動[14]。</p><p>　　4.3.1 驅(qū)動器的選擇</p><p>　　本設(shè)計選用型號為SMD-340C的驅(qū)動器。SMD-340

107、C三相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器是常州華音電子有限公司引進(jìn)德國技術(shù)和器件生產(chǎn)的新一代三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器,具有非常好的性價比。在驅(qū)動電機(jī)過程中它以半步方式驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。另外，SMD-340C還具有許多非同尋常的特性，能充分控制電機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)械性能，以獲得最大工作效率。</p><p>　　圖4.5 SMD-340C型驅(qū)動器的外觀圖</p><p>　　該型號驅(qū)動器的特點：</p>&

108、lt;p>　?。?）15-36V直流操作電壓</p><p>　?。?）1.5-4A相位峰值電流(按客戶要求設(shè)定)</p><p>　?。?）鎖相時自動減流</p><p><b>　?。?）半步驅(qū)動</b></p><p>　?。?）有源隔離三種輸入信號(脈沖,方向，脫機(jī))</p><p>

109、;　?。?）輸入信號:TTL或CMOS(5V.12V.15V.30V)</p><p><b>　　主要技術(shù)指標(biāo):</b></p><p><b>　　表4-1</b></p><p>　　SMD-340C型驅(qū)動器采用封閉式小型結(jié)構(gòu)，本身不帶風(fēng)機(jī)，其外殼即為散熱體，所以使用時要將其固定在較厚、較大的金屬板上或較厚的機(jī)柜內(nèi)，

110、接觸面之間最好涂上導(dǎo)熱硅脂，在其旁邊加一風(fēng)機(jī)也是一種較好的散熱辦法。</p><p>　　4.3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路</p><p>　　圖4.6為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路。圖中僅為一相的驅(qū)動電路，其余兩相與之相同。在圖中三極管 T1 起開關(guān)作用。當(dāng)三極管截止時，無集電極電流流通，開關(guān)相當(dāng)于斷開；當(dāng)三極管飽和時， 流過的集電極電流最大， 開關(guān)相當(dāng)于閉合，該開關(guān)“動作”可由加于基極的電流來控制。