1、河由/楊厚課程設計設計說明設計題目：院系名稱：專業班級：學生姓名：學 號：指導教師：年 月 日內容摘要步進電動機是一種控制精度極高的電動機，在工業上有著廣泛的應用。步進電動機 具有快速起停、精確步進和定位等特點，所以常用作工業過程控制及儀器儀表的控制元 件。基于plc控制的步進電動機具有設計簡單，實現方便，參數設計置靈活等優點。 矩角特性是步進電機運行時一個很重要的參數，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來實現。本文主要是介 紹采用可編程控制器(plc)對五相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

2、進電機系統的原理，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，使程序更間湊，方便了設計。 在實際應用中表明此設計是合理有效的。關鍵詞：plc;梯形圖；i/o接線圖；五相十拍步進電機-3 -第一章引言 1第二章系統總體方案設計 22.1 程序設計的基本思路22.2 五相步進電動機的控制要求22.3 方案原理分析22.3.1 功能要求22.3.2 性能要求3第三章plc控制系統設計 43.1 輸入輸出編址43.2 選擇plm型43.3 plc外部接線圖43.4 控制流程圖53.5

3、 梯形圖程序設計 73.5.1 步進控制設計 73.5.2 梯形圖設計93.6 語句表1418193.7 程序的調試15結論.設計總結.謝辭 20參考文獻 21第一章引言步進電動機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元步進電機件。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，而不受負 載變化的影響，可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同 時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進 電機作為執行元件，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和 精密機械等領域。步進電動機具有快速起停、精確步

4、進和定位等特點，所以常用作工業 過程控制及儀器儀表的控制元件。目前，比較典型的控制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，實現比較麻煩。基于plc控制的步進電動機具有設計簡單，實現方便，參數設計置靈活等 優點。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，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來實現。-2 -第二章系統總體方案設計2.1 程序設計的基本思路在進行程序設計時

5、，首先應明確對象的具體控制要求。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，根據生產的工藝流程不同， 控制要求或控制時序會發生變化，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。2.2 五相步進電動機的控制要求1 .五相步進電動機有五個繞組：a、b、c、d、e ,正轉順序:abc - bc bcd> ca cd

6、e> da dea> ez eabab反轉順序:abc - bo bcd- ca cde- ddea- ea eab ab2,用五個開關控制其工作：1號開關控制其運行（啟/停）。2號開關控制其低速運行（轉過一個步距角需0.5秒）。3號開關控制其中速運行（轉過一個步距角需0.1秒）。4號開關控制其高速運行（轉過一個步距角需0.03秒）。5號開關控制其轉向（on為正轉，off為反轉）。2.3方案原理分析2.3.1 功能要求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：abob8bcacacde>dedea>ezeab>ab反轉順

7、序：abc- bo bcd- ca cde- ddea- 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：（1）可正轉或反轉；（2）運行過程中，正反轉可隨時不停機切換；（3）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2.3.2性能要求在實現控制要求的基礎上，應使程序盡量簡潔、緊湊。另一方面，同一控制對象， 根據生產的工藝流程不同，控制要求或控制時序會發生變化，此時，要求程序修改方便、 簡單，即要求程序有較好的柔性。-3 -第三章plc控制系統設計3.1 輸入輸出編址控制步進電機的個輸入開關及控制 a

8、、b、c、d、e五相繞組工作的輸出端在plc 中的i/o編址如表3-1所示。表3-1 i/o地址分配表輸入點輸出點元件名稱符號地址編碼元件名稱符號地址編碼啟/停常開按鈕sb1i0.0a繞組aq0.00.5s低速常開按鈕sb2i0.1b繞組bq0.10.1s中速常開按鈕sb3i0.2c繞組cq0.20.03s高速常開按鈕sb4i0.3d繞組dq0.3控制轉向開關qsi0.4e繞組eq0.43.2 選才i plc類型根據上圖的i/o分配表通過查閱手冊選擇 s7-200 cpu222基本單元（8入/6出）1 臺。3.3 plc外部接線圖plc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

9、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3-1所示。-9 -cpu222sb2, sb3j> sb4j>qs /1m1l10. 0q0. 010. 1q0. 110.2q0. 210. 32m2l10. 4q0. 310. 5q0. 410. 6q0. 510. 7mnl+dc24vli功率放大器ofu220vaco圖3-1 i/o 接線圖3.4 控制流程圖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32所示。以 工作框圖為基本依據，結合考慮控制的具體要求，首先可將梯形圖程序分為4個模塊進行編程，即模塊1:步進速度選擇；模塊2:起動、停止；模塊

10、3:正轉、反轉；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，最后經過調試、完善、實現控制要求。開始圖3-2控制流程圖3.5 梯形圖程序設計3.5.1 步進控制設計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3-2。表3-2移位寄存器初值m1.1m1.0m0.7m0.6m0.5m0.4m0.3m0.2m0.1m0.01000000000每右移1位，電機前進一個布矩角（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”。據此，可作出

11、移位寄存器輸出狀態及 步進電機正反轉繞組的狀態真值表，如表3-1、3-2所示。從而得出五相繞組的控制邏輯關系式： 正轉時a 相 q0.0=m1.1+m0.3+m0.2+m0.1+m0.0b 相 q0.1=m1.1+m1.0+m0.7+m0.1+m0.0c 相 q0.2=m1.1+m1.0+m0.7+m0.6+m0.5d 相 q0.3=m0.7+m0.6+m0.5+m0.4+m0.3e 相 q0.4= m0.5+m0.4+m0.3+m0.2+m0.1 反轉時a 相 q0.0=m1.1+m1.0+m0.7+m0.6+m0.0b 相 q0.1=m1.1+m1.0+m0.2+m0.1+m0.0c 相

12、q0.2=m0.4+m0.3+m0.2+m0.1+m0.0d 相 q0.3=m0.6+m0.5+m0.4+m0.3+m0.2e 相 q0.4=m1.0 +m0.7+m0.6+m0.5+m0.4表3-3移位寄存器輸出狀態及步進電機繞組狀態真值表（正轉）移位寄存器mw0正轉m1.1m1.0m0.7m0.6m0.5m0.4m0.3m0.2m0.1m0.0abcde100000000011100010000000001100001000000001110000100000000110000010000000111000001000000011000000100010011000000010010001

13、000000001011001000000000111000表3-4移位寄存器輸出狀態及步進電機繞組狀態真值表（反轉）移位寄存器mw0反轉m1.1m1.0m0.7m0.6m0.5m0.4m0.3m0.2m0.1m0.0abcde1000000000110000100000000110010010000000100010001000000100110000100000000110000010000001110000001000001100000000100011100000000010011000000000001111003.5.2 梯形圖設計啟停使用單按鈕控制。梯形圖設計如下，首先，按sb2

14、(sb3或sb4澗次選擇一種步 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。再按 sb1, 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，c21 計數一次，然后t33重新計時。計數十次后動作c21使移位寄存器重新賦值，依次循環。 qs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。再按一下sb1, c20動作，m20失電，c21復位電機停止轉動。程序注釋控制電動機的啟動停止低 0c20m2.0同常2網

15、鰭標題控制電動機的啟動和停止圖3-3啟停程序的梯形圖當i0.0閉合時m2.0得電同時自鎖電動機啟動，且計數器 c20計數1次；當i0.0再 次閉合時計數器再次計數1次達到預置值，c20位on, c20常閉斷開，m2.0失電，電 動機停止，同時c20常開閉合計數器復位。圖3-4步進速度開關程序梯形圖電動機步進速度的控制，當i0.1閉合時發送1個電脈沖，使數據傳送指令將數據 50傳送到操作數vw100,從而控制步距角轉速。并且i0.1、i0.2和i0.3之間有互鎖, 從而使控制不會出錯。同第6i移位寄存器瞰而宿m2qc21pmqv.w en eno 16b00- in國wq圖3-5移位寄存器賦初值

16、電動機啟動時將16進制數0200 （也就是2進制1000000000）傳送到移位寄存器 mw0 ,從而保證電動機每10拍賦一次初值。intonpt_10 msw/1c0-t33mei控制電脈沖若厘發放t33miot ic )圖3-6步距角頻率控制由前面傳送到操作數vw100的數據為預置值，當計時器 t33達到預置值時t33位 為on,常開t33閉合，線圈m3.0得電，從而常閉m3.0斷開，使計時器停止計時。計 時器停止計時t33位off,繼而m3.0繼續閉合計時器從新計時。實現了每多長時間發 放一個電脈沖。網第9i移位寄存器內數據每次向右移動一位t33shr_w|emeno1mwo- inou

17、t -mwo1- h.網絡ib|控制移位寄存留賦初值圖3-7移位寄存器控制每有一個電脈沖發放時，移位指令動作一次，使移位寄存器內數據右移一位，且保存到移位寄存器內。同時計數器 c21計數一次，到達預置值10時c21動作，使圖3-5中傳送指令動作，再次給移位寄存器賦初值。這樣保證移位寄存器每移位10次循環一次，從而保證了電動機有規律的運行。-24-網絡11|財目續期箱由f反轉控制qdio<圖3-8 a相繞組控制網絡12:禪二i二/:工q0l1圖3-9 b相繞組控制圖3-10 c相繞組控制圖3-11 d相繞組控制圖3-12 e相繞組控制正轉順序在上面5個圖中分別控制 a b g dx e五個

18、繞組，當i0.4閉合時為正轉順序：ab8 bo bcdh cdh cde> de deav> ez eabh ab。當 i0.4 斷開時為反轉順序:abcf bo bcd- ca cde- ddea- ea eab- ab。3.6語句表由梯形圖可得出語句表如下圖用箱y彩而寄存器丙數據每注玩哲祿前一位ld10 d0m2. 0anc20=m2 d網絡2網絡標題控制電動機的后動和停止ld10. dldc20ctuc20. 2m 3網籍1控制電劭機的啟動停止控靛電的機謳速運行，轉過一個步wt33srv兩口，1閏培1。拄制嵇位寄存器賦初值ldm3.dldc210c2qctu czl 10同路

19、11網第14| d相建婦正反轉控制一ldho . 3hq . 4mo . emo . 6ldmo . 710 . 4oldhd . 2iq . 4oldm2 0-=q0.3網第15e相統期正反轉商看ld10.1euan10.2amid 3moweo, w1q0rld oloold10.2euan10.1ah10.3movwill vu100網舞5同箔4中速運行.轉過一個方距角需口 ld dolldo oanol0 112 3 4ldmq .4mo .5ldmo .1mo ,2110 .310 ,4oldldmq ,6ho .7ml,0an104oldm2.0qg .4國速運行，轉過一個步距角需

20、口.口必日相隙淚正版法控制ldeuananmow10.3.1,2vu100埔位寄存招鼎初借ldm2.00c21euhow 16j0200, mwod d d d ldnz looolaoiaoa =010 17 4ooi 1 o o mmmmmii a目纜組正反轉控制控制轉過一個步距第所需的時間ldm2.0an及3.0tont33,vu100網絡8密制電泳沖持續發砂wt33=m3.0d d d nl looooalooooaoa s- ,亮. = i ° - i = > .:-.-:567014012 3 44 d 2ooo11ooooooo 2 o mmmmmimmmmmi

21、mq圖3-13語句表3.7程序的調試程序編寫輸入完成之后就要進行調試，調試的目的是檢驗程序是否滿足要求，不滿足的話就要從新編寫程序直到調試符合要求。在這我們用sf200仿真模擬器進行程序調試。調試結果如圖所示。siemensrunigtopswatic s7-2001 = 10.1t卜oid.3口叫口.+5d -50=xafttidoxwqrk &d=id,21 = id.1 0=10.3mox/_mv en 5d=ywidfl圖3-14低速正轉運行狀態network 1siemenssmatic s7-200”江口 0-c2d t ,既，口!1 血.!1 = 10.01 = c20t

22、卜ctu 0=c2u70=m蛆000smb 28r*«twork 41=10.2h.10v_wen0 12 3 w 5 670=10.10=10.3cpu 2220=10.1in dut圖3-15中速正轉運行狀態siemenss1matic s7-200經調試可知，程序滿足要求1 = 10.0d=c201=m2.0w-pl.l()1=m2.dtqnetiiicrii： 2 / 幽堵牌地1 = 10.01 = c20tu=c2 tcu ctu:2.netiiiork 3a- ia 4a-ia 與t|p|l<l_i / i：50 -mo'vlwenin outnetiiii

23、ji+: 1-3=w1uud=id.2d=id.11 = 10.3_iii ii y im0'<wenin out1 11 1 11 叫1 f 110 -netuiark 4-3=vw1uu1 = 10.30= 10. 10= 10. 2m0'<wenin out_3 -network 5-3=vw1uu圖3-16高速反轉狀態本次設計研究了 plc控制步進電動機的設計原理與實現方法，主要是程序的設計， 將plc應用到步進電動機控制系統中，充分發揮plc高可靠性和實用性，外部接線簡單、 靈活，維修方便。實際應用中還應結合實際情況，考慮各部分的容量及其實際的技術參數，供

24、電電源 的設計、系統接地問題、電纜設計與鋪設、plc輸出端保護等問題，以使系統達到安全可靠的工作，所以要想用于實際中，必須得通過現場調試。這就又給我們提出了更高層 次的問題，畢竟一個較好的和較完善的應用軟件不是在短時間內就可以完成它的需要， 要不斷的完善和發展，需要我們做大量的工作和時間的檢驗。現在的系統雖然滿足了基 本的要求，還需要增加很多新的功能和先進的科學技術，才能實現更安全、可靠、節約 地控制。雖然現在用plc控制步進電動機簡單方便，但單片機等更為便宜，所以，應該在現 有的基礎上開發利用單片機等控制系統。而且現有的故障診斷很不全面，應該增加主動 性預防診斷，可使系統在發生故障之前，我們

25、就可以預見故障、排除故障，使運行中的 故障率降低到最低水平，保障電動機正常運行。最終，就是以信息技術為主，通過先進使用技術，提升步進電動機的控制，強化產、 學、研的有效結合，盡快實現技術引進和自主創新相結合的模式，建立和完善技術開發 體系，全力提升步進電動機控制的水平。設計總結通過本次試驗我學到很多東西，遇到很多需要查資料的問題。在查閱資料的過程 中，我們要判斷優劣、取舍相關知識，不知不覺中我們查閱資料的能力也得到了很好的 鍛煉。我們學習的知識是有限的，在以后的工作中我們肯定會遇到許多未知的領域，這 方面的能力便會使我受益非淺。通過學習plc理論課程后，在做課程設計能檢測我的學習成果和知道自己

26、的不足， 此次設計每個人一個題目。由于平時大家都是學理論，沒有過實際設計和調試的經驗， 拿到的時候都不知道怎么做。但通過各方面的查資料并學習。我基本學會了plc設計的步聚和基本方法。也鍛煉了自己獨立做事的能力，怎么去查找資料，怎么去利用手中的 資料，怎么樣很好的寫一篇 plc論文。在這次設計實踐之中，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，我們對知道的撐握都是思想上的，對一些細節不加重視。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，它是一門系統專業課程。plc可以廣義的認為是一臺背嵌入操作系統的高可靠性 pc機。首先需要精深plc本身的編程語言梯形圖、 語句表語言。然后根據程序在實驗室進行調試，使其達到預期的程度。最后，依照調試 結果寫論文。不斷的鍛煉自己的動手和思維能力。在設計過程中，總是遇到這樣或那樣