年4月19日基于plc的步進電機控制系統設計文檔僅供參考，不當之處，請聯系改正。基于PLC步進電機控制系統摘要隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，它廣泛用于打印機、電動玩具等消費類產品以及數控機床、工業機器人、醫療器械等機電產品中，其在各個國民經濟領域都有應用。研究步進電機的控制系統，對提高控制精度和響應速度、節約能源等都具有重要意義。步進電機是將電脈沖信號變換成機械角位移的一種裝置，每個脈沖使轉軸步進一個步距角增量，輸出角位移與輸入脈沖數成正比，轉速與輸入脈沖成正比，轉速與輸入脈沖頻率成正比。步進電機的控制方式簡單，屬于開環控制，且無累積定位誤差，有較高的定位精度，而PLC作為一種工業控制微機，是實現電機一體化的有力工具，因此基于PLC的步進電機控制技術已廣泛用于數字定位控制中。本控制系統的設計，由硬件設計和軟件設計兩部分組成。其中，硬件設計主要包括步進電機的工作原理、步進電機的驅動電路設計、PLC的輸入輸出特性、PLC的外圍電路設計以及PLC與步進電機的連接與匹配等問題的實現。軟件設計包括主程序以及各個模塊的控制程序，最終實現對步進電機轉動方向及轉動速度的控制。本系統具有智能性、實用性及可靠性的特點。關鍵詞：步進電機、PLC、轉速控制、方向控制SteppingmotorcontrolsystembasedonPLC AbstractWiththedevelopmentofmicroelectronicsandcomputertechnology,thesteppermotorisincreasingdemanded,whichiswidelyusedinprinters,electrictoysandotherconsumerproducts,andCNCmachinetools,industrialrobots,medicalequipmentandotherelectricalmachineryproducts,andisappliedinthenationaleconomyinvariousfields.Researchingofsteppermotorcontrolsystemtoimprovethecontrolaccuracyandresponsespeed,energyconservationissoimportant.SteppermotorisadevicewhichwilltransformelectricalpulsesintomechanicalangulardisplacementsothatShaftofeachpulsetoastepanglesteppingincrement,SOoutputangulardisplacementisproportionaltotheinputpulses,speedisproportionaltotheinputpulsespeedandspeedisproportionaltoinputpulsefrequency.Steppermotorcontrolissimple,isopen-loopcontrol,andnoaccumulationofpositioningerror,ahighpositioningaccuracy,andthePLCasanindustrialcontrolcomputer,isapowerfultoolfortheintegrationofthemotor,Therefore,thesteppermotorcontrolbasedonPLCtechnologyhasbeenwidelyusedfordigitalpositioningcontrol.Thecontrolsystemconsistsofhardwareandsoftwaredesignoftwoparts.Amongthem,thehardwaredesignincludestheworkingprincipleofsteppermotor,steppermotordrivecircuitdesign,PLCinputandoutputcharacteristics,PLCandPLCexternalcircuitconnectionwiththesteppermotorandmatchingProblem.Softwaredesign,includingthemainprogramandeachmoduleofthecontrolprogram,ultimatelyrealizesonthesteppermotorrotationdirectionandrotationspeedcontrolThissystemhastheintelligence,practicalityandreliabilityfeatures.Keywords：Steppermotor,PLC,speedcontrol,directioncontrol目錄摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII基于PLC步進電機控制系統 I第1章緒論 11.1課題背景 11.2問題的提出 21.3設計目的及系統功能 2第2章PLC及步進電機的概述 42.1PLC的基本概念 42.2PLC的基本結構 42.3PLC的特點 52.4步進電機的特性 72.5步進電機的種類 72.6反應式步進電機的控制 82.7本設計所用步進電機 12第3章硬件電路設計 143.1硬件設計思路 143.2總設計圖框 143.3外圍電路設計及分析 153.4LED數碼顯示器電路 233.5步進電機控制系統電路圖 25第4章軟件的設計 274.1可編程序控制器的工作原理 274.2存儲空間的計算 28第5章PLC控制程序設計 295.1PLC提供的編程語言 295.2PLC實用驅動電源控制環節 31結論 35致謝 37參考文獻 38附錄 39緒論課題背景在電氣時代的今天，電動機一直在現代化的生產和生活中起著十分重要的作用。無論是在工農業生產還是在日常生活中的家用電器，都大量地使用著各種各樣的電動機。因此對電動機的控制變得越來越重要了。電動機的控制技術的發展得力于微電子技術、電力電子技術、傳感器技術、永磁材料技術、自動控制技術、微機應用技術的最新發展成就。正是這些技術的進步使電動機控制技術化。步進電機是機電控制中一種常見的執行機構，其原理是經過對它每相線圈中的電流和順序切換來使電機作步進式旋轉。驅動電路由脈沖信號來控制，因此調節脈沖信號的頻率便可改變步進電機的轉速。通俗地說:當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(及步進角)。經過控制脈沖個數即能夠控制角位移量，從而達到準確定位的目的。同時經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，現在比較常見的步進電機包括反應式步進電機（VR)、永磁式步進電機(PM),混合式步進電機(HB)和單相式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.50;反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.50，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相:兩相步進角一般為1.8“而五相步進角一般為0.720。這種步進電機的應用最為廣泛。問題的提出二十一世紀的今天，電動機在工農業生產、人們日常生活中起著十分重要的作用。步進電機是最常見的一種控制電機，在各領域中得到廣泛應用。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一,廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。能夠經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；同時能夠經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。步進電機能夠作為一種控制用的特種電機，其優點是結構簡單、運行可靠、控制方便。特別是步距值不受電壓、溫度的變化的影響、誤差不會長期積累的特點，給實際的應用帶來了很大的方便。它廣泛用于消費類產品（打印機、照相機）、工業控制（數控機床、工業機器人）、醫療器械等機電產品中。研究步進電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應速度、節約能源等都具有重要意義。為此，本文設計了一個基于PLC的步進電機控制系統，能夠實現對步進電機轉動速度和轉動方向的高效控制。設計目的及系統功能設計的目的是以單片機為核心設計出一個步進電機控制系統。本系統采用FX2N系列PLC作為控制單元，經過鍵盤實現對步進電機轉動方向及轉動速度的控制，而且將步進電機的轉動速度動態顯示在LED數碼管上。經過本課題，一方面我們在查閱資料的基礎上，了解FX2N系列PLC控制的一些基本技術，掌握其控制系統的分析方法與實現方法,能對PLC外圍電路設計進行系統學習與掌握；另一方面，經過設計步進電機控制系統的硬件電路，控制程序和相應的電路圖，以此培養自己的自學和動手能力，從而為今后參加工作或進一步深造打下良好的基礎。設計的步進電機控制系統有以下功能：1.步進電機的啟停控制2．步進電機的正反轉控制3.步進電機的加速控制4.步進電機的減速控制5.步進電機通電方式改變的控制PLC及步進電機的概述PLC的基本概念可編程控制器(ProgrammableController)是計算機家族中的一員，是為工業控制應用而設計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現邏輯控制。隨著技術的發展，這種裝置的功能已經大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。可是為了避免與個人計算機(PersonalComputer)的簡稱混淆，因此將可編程控制器簡稱PLC。PLC即可編程控制器（ProgrammablelogicController，是指以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置。在1987年國際電工委員會（InternationalElectricalCommittee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義：“PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用能夠編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能經過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。”PLC的基本結構PLC實質是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，如圖所示：a.中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態和數據，并分別存入I/O映象區，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規定執行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區或數據寄存器內。等所有的用戶程序執行完畢之后，最后將I/O映象區的各輸出狀態或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環運行，直到停止運行。為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構成冗余系統，或采用三CPU的表決式系統。這樣，即使某個CPU出現故障，整個系統仍能正常運行。b、存儲器存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器。存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。C、電源PLC的電源在整個系統中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，能夠不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去。PLC的特點(1)高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統，和同等規模的繼電接觸器系統相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。另外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息。在應用軟件中，應用者還能夠編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統具有極高的可靠性也就不奇怪了。=2\*GB2⑵配套齊全，功能完善，適用性強PLC發展到今天，已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品。能夠用于各種規模的工業控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。=3\*GB2⑶易學易用，深受工程技術人員歡迎PLC作為通用工業控制計算機，是面向工礦企業的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表示方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就能夠方便地實現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業控制打開了方便之門。=4\*GB2⑷系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。=5\*GB2⑸體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。步進電機的特性步進電機轉動使用的是脈沖信號，而脈沖是數字信號，這恰是計算機所擅長處理的數據類型。從20世紀80年代開始開發出了專用的IC驅動電路，今天，在打印機、磁盤器等的OA裝置的位置控制中，步進電機都是不可缺少的組成部分之一。總體上說，步進電機有如下優點：=1\*GB2⑴不需要反饋，控制簡單。2．與微機的連接、速度控制（啟動、停止和反轉）及驅動電路的設計比較簡單。3．沒有角累積誤差。4．停止時也可保持轉距。5．沒有轉向器等機械部分，不需要保養，故造價較低。6．即使沒有傳感器，也能精確定位。7．根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉動。可是，這種電機也有自身的缺點。8．難以獲得較大的轉矩9、不宜用作高速轉動10．在體積重量方面沒有優勢，能源利用率低。11．超過負載時會破壞同步，高速工作時會發出振動和噪聲。步進電機的種類當前常見的步進電機有三類：1、反應式步進電動機（VR）。采用高導磁材料構成齒狀轉子和定子，其結構簡單，生產成本低，步距角能夠做的相當小，但動態性能相對較差。2、永磁式步進電動機（PM）。轉子采用多磁極的圓筒形的永磁鐵，在其外側配置齒狀定子。用轉子和定子之間的吸引和排斥力產生轉動，轉動步的角度一般是7.50。它的出力大，動態性能好；但步距角一般比較大。3、混合步進電動機（HB）。這是PM和VR的復合產品，其轉子采用齒狀的稀土永磁材料，定子則為齒狀的突起結構。此類電機綜合了反應式和永磁式兩者的優點，步距角小，出力大，動態性能好，是性能較好的一類步進電動機，在計算機相關的設備中多用此類電機。反應式步進電機的控制反應式步進電機，是一種傳統的步進電機，由磁性轉子鐵芯經過與由定子產生的脈沖電磁場相互作用而產生轉動。反應式步進電機工作原理比較簡單，轉子上均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。電機的位置和速度由導電次數（脈沖數）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。市場上一般以二、三、四、五相的反應式步進機居多。應用領域：反應式步進電機主要應用于計算機外部設備、攝影系統、光電組合裝置、閥門控制、核反應堆、銀行終端、數控機床、自動繞線機、電子鐘表及醫療設備等領域中。圖2-2四相反應式步進電動機的結構圖2-2是一臺四相反應式步進電機的結構示意圖。定子鐵心由硅鋼片疊成，定子上有8個均勻分布的磁極，每個磁極上又有若干小齒（本例為5個）。各個磁極上套有線圈，徑向相正確兩個磁極上的線圈是一相。轉子也是由硅鋼片疊成的，若干小齒（本例為50個）在圓周上均勻分布，但轉子上沒有繞組。根據工作要求，定子小齒的齒距必須等于轉子小齒的齒距，且轉子的齒數有一定限制。定義每個小齒所占有的角度為齒距角：………………（2-1）式中為齒距角。為轉子小齒數。定子一個極距所正確轉子小齒數為：……………………（2-2）式中m為相數。設電機為四相四拍通電方式。當A相控制繞組通電時，產生了沿A-A’極軸方向的磁通，由于磁通力圖經過磁阻最小路徑，使轉子的作用而轉動，直到轉子磁軸線和定子磁極A-A’上的磁軸線對齊為止。因為轉子共有50個齒極，每個齒距角，定子一個極距所正確轉子齒數為，不是整數，因此當A-A’極下的定、轉子齒軸線對齊時，相鄰的兩對磁極B-B’和D-D’極下的齒和轉子齒必然錯開1/4齒距角，即。這時，各相磁極的定子齒與轉子齒的相對位置如圖2-3所示。如果斷開A相而接通B相，產生沿B-B’極軸線方向的磁通，同樣在反應轉矩的作用下，轉子按順時針方向轉過，是轉子齒軸線和定子磁極B-B’下的齒軸線對齊。這時，A-A’和C-C’極下的齒與轉子齒又錯開。以此類推，控制繞組按A→B→C→D→A…的順序循環通電時，轉子就按順時針方向一步一步連續地轉動起來。沒換接一次繞組，轉子轉過1/4齒距角。0圖2-3A相通電時定、轉子齒的相對位置顯然，如果要使步進電機反轉，只要改變通電順序，即按A→D→C→B→A…的順序循環通電時，則轉子便按逆時針方向一步一步地轉動起來，步距角同樣為1/4齒距角，即。如果運行方式改為四相八拍，通電方式為A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A…，即單相通電和兩相通電相間時，步距角為四相四拍運行時的一半，即。當步進電機運行方式為四相雙四拍時，當AB→BC→CD→DA→AB…方式通電時，步距角與四相單四拍運行時一樣，為1/4齒距角，即。由此可見，步進電機的步距角由轉子齒數、定子相數m和通電方式所決定，即：……………（2-3）式中C——狀態系數，采用單雙通電方式時C=2,采用單或雙通電方式時C=1。N——拍數。既然每個控制脈沖使步進電機轉過一個，電機實際角位移應為：式中N’——控制脈沖的個數。若步進電機所加的通電脈沖頻率為f，則其轉速為：……………………（2-4）由于在一個通電循環內控制脈沖的個數為N（拍數），而每相繞組的供電脈沖個數卻只有一個，因此定子相繞組的供電頻率為：可見，步進電動機在不失步、不丟步的前提下，其轉速和轉角與電壓、負載、濕度等因素無關，因而步進電機可直接采用開環，簡化控制系統。本設計所用步進電機本設計中所用的是三相反應式步進電動機，其工作原理與上述四相步進電動機相同。其轉子小齒為80個，因此齒距角。其采用三種運行方式，分別為“三相單三拍”、“三相單雙六拍”和“三相雙三拍”。三相單三拍的通電順序為A→B→C→A…,不斷接通與斷開控制繞組，轉子就按順時針方向一步一步地轉動起來，每換接一次繞組，轉子轉過1/3齒距角，即。如果要使電動機反轉，只要改變通電順序，即按A→C→B→A…順序循環通電。當運行方式改為三相單雙六拍時，通電方式為A→AB→B→BC→C→CA→A…,即單相通電與兩相通電相間，步距角為三相單三相運行時的一半，即。其三相繞組的波形圖如2-4所示。當步進電機反轉時，其通電方式應該為A→AC→C→CB→B→BA→A…,其步進角與正轉相同。當步進電機再改為三相雙三拍運行時，其通電方式為AB→BC→CA→AB…，步距角與三相單三拍時一樣，為1/3齒距角，即。當其反轉時，通電方式改變為AB→AC→CB→BA…。圖2-4步進電機兩相繞組的電流脈沖波形硬件電路設計硬件設計思路步進電機控制系統共分為三個模塊：按鍵控制模塊、數碼顯示模塊、步進電機驅動模塊。鍵盤控制模塊包括啟動鍵、停止鍵、點動控制鍵、速度控制鍵、方向控制鍵和步進電機通電方式改變的控制。其中啟動鍵接于PLC的X0端口；鍵接于PLC的X1端口；點動控制鍵接于PLC的X2端口，實現對步進電機的點動控制；而速度控制鍵分為4個不同的速度等級，有小到大分別接于PLC的X3、X4、X5和X6端口，實現對步進電機在不同轉速下運行的控制要求；方向控制鍵接于PLC的X7端口，實現對步進電機正反轉的控制；通電方式改變按鈕接于PLC的X8端口，實現對步進電機通電方式改變的控制。數碼顯示模塊采用共陽極數碼管來動態顯示步進電機的實際轉動速度。利用三極管為數碼管的com端提供高電平。PLC的Y3-Y6端口提供數碼管的段選信號，PLC的Y7-Y10端口控制數碼管的位選信號。步進電機驅動模塊采用恒頻斬波細分驅動電路，經過接收PLC發出的脈沖信號來控制步進電機完成各種操作。由于本設計中采用三相反應式步進電機，因此需要采用三支完全相同的驅動電路分別控制電機兩相繞組的電流，而由PLC的Y0、Y1和Y3端口分別提供控制兩相繞組的脈沖信號。總設計圖框總設計圖如圖2-1所示。圖3-1總體設計框圖說明如下：1.PLC接受鍵盤信息，改變系統內部變量值。2.PLC輸出脈沖信號，控制步進電機轉動。3.PLC根據步進電機實際轉動值，控制數碼管顯示。外圍電路設計及分析鍵盤在單片機應用系統中能實現向PLC輸入數據、傳送命令等功能，是人工干預單片機的主要手段。鍵盤實質是一組按鍵開關的集合。鍵盤所用開關為機械彈性開關，利用了機械觸點的合、斷作用。機械開關應接到PLC的開關量輸入接口進行開關控制，PLC的開關量輸入接口的作用是把現場的開關量信號變成可編程控制器內部處理的標準信號。開關量輸入接口按可接納的外信號電源的類型不同可分為直流輸入單元和交流輸入單元，如圖2-5、圖2-6所示。圖3-2直流輸入單元圖3-3交流輸入單元從圖中能夠看出，輸入接口中都有濾波電路及耦合電路。濾波有抗干擾的作用，耦合有抗干擾及產生標準信號的作用。圖中輸入口的電源部分都畫在了輸入口外（虛線框外），這是分體式輸入口的畫法，在一般單元式可編程控制器中，輸入口都使用可編程本機的直流電源供電，不再需要外接電源。本設計中采用的是直流輸入單元，即如圖2-8所示。一個電壓信號在機械觸點的斷開、閉合過程中，都會產生抖動，一般為5—10ms；兩次抖動之間為穩定的閉合狀態，時間由按鍵動作所決定；第一次抖動前和第二次抖動后為斷開狀態。按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現出高電平或低電平。經過對輸出電平的高低狀態的檢測，便可確認按鍵按下與否。在本設計中，高電平表示按鍵斷開，低電平表示按鍵閉合狀體。而且，為了能直觀形象的表示按鍵閉合與否，還為每個按鍵相應增加了發光二極管，按鍵斷開時，發光二極管滅，當有鍵閉合時，相應的發光二極管變亮。為了確保單片機對一次按鍵動作只確認一次按鍵，必須消除抖動的影響。消除按鍵抖動一般采用硬件、軟件兩種方法。由于硬件消抖電路設計復雜，本設計中沒有采用，在此不再詳細敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡單。其原理是在第一次檢測到有鍵按下時，執行一段延時10ms的子程序后在確認該鍵電平是否仍圖3-4按鍵接線圖保持閉合狀態電平，如果保持閉合狀態電平則確認為真正有鍵按下，從而消除了抖動的影響。因此本設計中采用了這種方式來消除抖動，其原理將在下一章軟件設計中體現出來，其硬件原理圖如圖2-7所示：其中SB0是啟動按鈕，SB1為關閉按鈕，SB2為低速點動控制按鈕，SB3為低速持續運轉控制按鈕，SB4為中速持續運轉控制按鈕，SB5為高速運轉控制按鈕，SB6為超高速運轉控制按鈕.SB7為正反轉切換按鈕，SB8為控制步進電機通電方式在三相單拍、三相單雙拍和三相三拍之間切換。步進電動機驅動電路。步進電機的功率放大電路的種類很多。按照電流流過的方向是單向還是雙向的，能夠把功率放大電路分為雙極性驅動電路和單極性驅動電路兩類。單極性驅動電路適用于反應式步進電機，而雙極性驅動電路適用于永磁式步進電動機和混合式步進電動機。驅動電路的功率器件能夠選用功率晶體管、功率場效應管（MOSFET）或IGBT，還能夠選用集成功率驅動模塊。=1\*GB2⑴單電壓驅動但電壓驅動是指電動機繞組在工作時，只用一個電壓電源對繞組供電。單電壓驅動如圖2-8所示圖3-5單電壓驅動電路功率晶體管T用作開頭，L是電機一相繞組的電感，電源電壓一般選擇在10V-100V左右。限流電阻R1決定了時間常數，R1在工作中要消耗一定的能量，因此這個電路損耗大、放率低，一般只用于小功率步進電動機的驅動。=2\*GB2⑵雙電壓驅動

用提高電壓的方法能夠使繞組中的電流上升波形變陡，這樣就產生了雙電壓驅動。雙電壓驅動有兩種方式：雙電壓法和高低壓法=1\*GB3①雙電壓法雙電壓法的基本思路是：在低頻段使用較低的電壓驅動，在高頻段使用較高的電壓驅動。其電路原理如圖2-9所示。圖3-6雙電壓驅動電路當電動機工作在低頻時，給T1低電平，使T1關斷。這時，電動機的繞組由低電壓VL供電，控制脈沖經過T2使繞組得到低壓脈沖電源。當電動機工作在高頻時，給T1高電平，使T1打開。這時二極管D2反響截止，切斷低電壓電源VL，電動機繞組由高電壓VH供電，使控制脈沖經過T2使繞組得到高壓脈沖電源。這種驅動方法保證了低頻段依然具有單電壓驅動的特點，在高頻段具有良好的高頻性能，但仍沒擺脫單壓驅動的弱點，在限流電阻R上依然會產生損耗和發熱。=2\*GB3②高低壓法高低壓法的基本思路是：不論電動機工作的頻率如何，在繞組通電的開始用高壓供電，是繞組中電流迅速上升，而后用低壓來維持繞組中的電流。高低壓驅動電路的原理如圖2-10所示，盡管看起來與雙電壓法電路非常相似，但它們的原理有很大差別。圖3-7高低壓驅動電路高壓開關管T1的輸入脈沖uH與低壓開關管T2的輸入脈沖uL同時起步，但脈寬要窄得多。兩個脈沖同時使開關管T1、T2導通，使高電壓VH為電動機繞組供電。這使得繞組中電流i快速上升，電流波形的前沿很陡，如圖9-7所示電流波形。當脈沖UH降為低電平時，高壓開關管T1截止，高電壓被切斷，使電壓VL經過二極管D2為繞組繼續供電，由于繞組電阻小，回路中又沒有串聯電阻，因此低電壓只需數伏就能夠為繞組提供提供較大電流。高低壓驅動法是當前普遍應用的一種方法。由于這種驅動在低頻時電流有較大的上沖，電動機低頻噪聲較大，低頻共振現象存在，使用時要注意。本設計中采用的驅動電路是斬波恒流驅動電路，斬波恒流驅動電路時性能較好的、當前使用較多的一種驅動方式。其基本思想是：無論電機是在鎖定狀態還是在低頻段或高頻段運行，均使導通相的繞組的電流保持額定值。圖2-11是斬波恒流驅動電路的原理圖。相繞組的通斷由開關管VT1和VT2共同控制，VT2的發射極接一個小電阻R，電動機繞組的電流經這個電阻到地，小電阻的壓降與電動機繞組的電流成正比，因此這個電阻式電流采樣電阻。當Ui為高電平時，VT1和VT2兩個開關管均導通，電源向繞組供電。由于繞組電感的作用，R上的電壓逐漸升高，當超過給定電壓Ua的值時，比較器的輸出低電平，使與門輸出低電平，VT1截止，電源被切斷，繞組電流經VT2、R、VD2續流，采樣電阻R的端電壓隨之下降。當采樣電阻R上的電壓小于給定電壓Ua時，比較器輸出高電平，與門也輸出高電平，VT1重新導通，電源又開始向繞組供電。如此重復，繞組的電流叫穩定在由給定電壓所決定的數值上。當控制脈沖Ui變為低電平時，VT1和VT2兩個開關管均截止，繞組中的電流經二極管VD1、電源和二極管VD2放電，電流迅速下降。控制脈沖Ui、VT1的基極電位Ub1及繞組電流Id餓波形如圖2-11所示。圖3-8斬波恒流驅動電路的原理圖圖3-9斬波恒流控制的電流波形在VT2導通期間內，電源以脈沖式供電，因此這種驅動電路具有較高的效率。由于在斬波驅動下繞組電流恒定，電機的輸出轉矩均勻。這種驅動電路的另一個優點是能夠有效地抑制共振，因為電機共振的基本原因是能量過剩，而斬波恒流驅動的輸入能量是隨著繞組電流的變化自動調節的，能夠有效的防止能量積聚。可是，由于電流波形為鋸齒形，這種驅動方式會產生較大的電磁噪聲。LED數碼顯示器電路發光二極管LED是一種通電后能發光的半導體器件，其導電性質與普通二極管類似。LED數碼顯示器就是由發光二極管組合而成的1種新型顯示器件。在單片機系統中應用非常普遍。LED數碼顯示器是1種由LED發光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個LED發光二極管，其中7個用于顯示字符，1個用于顯示小數點。LED數碼顯示器有兩種連接方法：（1）共陽極接法。把發光二極管的陽極連在一起構成公共陽極，使用時公共陽極接+5V，每個發光二極管的陰極經過電阻與輸入端相連。當陰極端輸入低電平時，段發光二極管就導通點亮，而輸入高電平時則不點亮。（2）共陰極接法。把發光二極管的陰極連在一起構成公共陰極，使用時公共陰極接地。每個發光二極管的陽極經過電阻與輸入端相連。當陽極端輸入高電平時，段發光二極管就導通點亮，而輸入低電平時則不點亮。在本設計中所采用的是共陽極LED數碼顯示器，其內部結構如圖2-12所示：圖3-10LED數碼管結構圖可編程控制器的晶體管輸出電路有漏極輸出和源極輸出兩種，圖2-13(a)為負邏輯，圖2-13（b）為正邏輯，7段顯示器的數據輸入和選通信號也有正負邏輯之分。若數據的輸入以高電平為“1”，則為正邏輯；反之為負邏輯。選通信號在高電平時鎖存數據，則為正邏輯；反之為負邏輯。（a）（b）圖3-11集電極輸出與反射極輸出在本設計中，數碼顯示電路經過采用共陽極數碼管來動態顯示步進電機的實際轉動速度，利用三極管為數碼管的com端提供高電平。PLC的Y2-Y5端口提供數碼管的段選信號，PLC的Y6-Y9端口控制數碼管的位選信號。PLC的晶體管輸出電路采用源極輸出，其原理圖如圖2-14：圖3-12數碼顯示電路步進電機控制系統電路圖經過上述對步進電機控制系統設計與分析，步進電機控制系統總體設計電路如圖2-14所示：圖3-13步進電機控制系統總體設計電路圖軟件的設計可編程序控制器的工作原理可編程序控制器有兩種基本的工作狀態，即運行（RUN）狀態與停止（STOP）狀態。在運行狀態，可編程控制器經過執行反映控制要求的用戶程序來實現控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執行一次，而是重復不斷地重復執行，直至可編程序控制器停機或切換到STOP工作狀態。除了執行用戶程序之外，在每次循環過程中，可編程序控制器還要完成，內部處理、通信處理等工作，一次循環可分為5個階段（見左上圖）。可編程序控制器的這種周而復始的循環工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執行指令速度極高，從外部輸入-輸出關系來看，處理過程似乎是同時完成的。在內部處理聯合階段。可編程序控制器檢查CPU模塊內部的硬件是否正常，將監控定時器復位，以及完成一些別的內部工作。在通信服務階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容。當可編程序控制器處于停止（STOP）狀態時，只執行以上的操作。可編程序控制器處于（RUN）狀態時，還要完成另外3個階段的操作（見右圖），圖中僅畫出了與用戶程序執行過程有關的3個階段。存儲空間的計算存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，一般采用存儲器容量的估算來替代。存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大致上都是按數字量I/O點數的10～15倍，加上模擬I/O點數的100倍，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的25%考慮余量。PLC控制程序設計PLC提供的編程語言標準語言梯形圖語言也是我們最常見的一種語言，它有以下特點；A.它是一種圖形語言，沿用傳統控制圖中的繼電器觸點、線圈、串聯等術語和一些圖形符號構成，左右的豎線稱為左右母線。B.梯形圖中接點（觸點）只有常開和常閉，接點能夠是PLC輸入點接的開關也能夠是PLC內部繼電器的接點或內部寄存器、計數器等的狀態。C.梯形圖中的接點能夠任意串、并聯，但線圈只能并聯不能串聯。內部繼電器、計數器、寄存器等均不能直接控制外部負載，只能做中間結果供CPU內部使用。D.PLC是按循環掃描事件，沿梯形圖先后順序執行，在同一掃描周期中的結果留在輸出狀態暫存器中因此輸出點的值在用戶程序中能夠當條件使用。=2\*GB2⑵語句表語言，類似于匯編語言。=3\*GB2⑶邏輯功能圖語言，沿用半導體邏輯框圖來表示，一般一個運算框表示一個功能，左邊畫輸入、右邊畫輸出。圖4.2PLC編程步驟步進電機控制系統的軟件需要同時完成讀取鍵盤、處理鍵盤、控制步進電機轉動、控制數碼管動態顯示等任務。PLC是經過CPU循環掃描的工作方式來完成其控制任務的。PLC運行時，CPU執行用戶程序從應用程序的第一條指令開始取指令并執行，直到最后一條指令執行結束，因此在一定的硬件與軟件基礎上的用戶程序決定了控制系統的運行功能。PLC實用驅動電源控制環節=1\*GB2⑴驅動電源的特殊性步進電動機的運行特性,由輸入脈沖的數量、頻率和電機繞組的接通次序決定,故需提供不同形式的脈沖電源。針對兩相單、雙四拍步進電動機驅動電源,由PLC輸出脈沖控制信號,控制A、B兩相繞組按A→AB→B→BC→C→CA→A…(正轉)或者按A→AC→C→CB→B→BA→A(反轉)通電方式(每切換一次電流稱一拍)循環通電。若任意改變兩相繞組的通電順序，則步進電機轉向改變。因此，設計驅動電源控制裝置時，要根據步進電機通電方式，繞組接通次序、脈沖頻率和運行要求來進行設計。=2\*GB2⑵用功能指令構建控制程序的有關問題FX2系列PLC較豐富的編程指令,除基本語句指令外，還有近100條的功能指令。功能指令的出現大大拓寬了PLC的應用范圍，結合基本指令編寫程序可解決各種復雜的控制。可是，由于每條功能指令屬一段子程序又具有特定的功能，應用時有一定的局限性、復雜性和技巧性。因此，用功能指令編程前要認真思考和篩選，選取合適的功能指令編輯。筆者經過FX2系列PLC功能指令的分析研究：圍繞“絕對值凸輪順控ABSD”指令（下稱“ABSD”指令）構建控制程序。“ABSD”指令的工作原理可用下圖4-4說明：圖4-4ABSD功能指令運用“ABSD”指令需4個操作數，源操作數[S1]存儲[n]個目標元件[D]的通斷點，[S2]存儲變化的數據。當XO接通時，將[S1]數據表內的數據相比較，決定[n]個目標元件的輸出波形。因此，在滿足執行條件的前提下“ABSD”指令有輸出一組波形的功能。=3\*GB2⑶PLC實用驅動電源控制梯形圖和I/O分配表PLC實用梯形圖如圖2所示。該梯形圖用功能指令“MOV、ABSD、ZRST、CJ”及基本指令編寫而成。根據梯形圖各部分的功能和作用，控制程序可歸納由以下幾個環節構成：圖4-5部分程序圖a)脈沖波形上下沿數據表：如主程序圖中6-45行所示，數據表由D300-D305構成。數據中波形上下沿數據根據某一通電方式下繞組內的電流波形確定，并用“MOV”功能指令將數據送入D300～305數據寄存器。波形上升沿數據寫入偶數元件，下降沿數據寫入奇數元件。b)驅動電源控制脈沖；如主程序圖中所示用“ABSD”功能指令產生驅動電源脈沖控制信號。在執行條件滿足時，“ABSD”功能指令將CO中的數據與數據表(D300～D305)內相比較，結果決定MO～M2的通斷狀態并輸出。例如：(C0)=(D300)，則M0導通，A相繞組通電，(CO)=(D301)，MO斷開，A相繞組斷電。圖3表示MO～M2通斷狀態與電機各繞組接通順序之間的關系。c)運轉控制環節：由訐數脈沖的產生及控制、環形分配器等部分組成。1)計數脈沖的產生與控制；主要由C1、M20、T200、T201、T246、M21等元件依一定關系“連接”而成。T200、T201、T246、M21向C1提供計數脈沖，定時器T的設定值K△△及繼電器M21通斷速度決定C1的計數頻率。T的元件數取決步進電動機轉速分級數，控制C1計數頻率用X3、X4、X5、X6切換。2)環形分配器；環形分配是將MO～M2產生的電源控制脈沖信號經由YO～Y2，控制步進電動機按規定的通電方式運轉。由程序分析可知：D300～D305決定步進電機的通電方式，要改變通電方式，只需改變其中的數據即可。程序中，X1、X3、X4直接意義是控制步進電機轉速用，若在三者的梯形支路中加入開環控制元件或閉環控制元件。使能實現步進的開環或閉環控制。步進電機運轉向控制用X7，控制程序由跳轉指令CJ實現。d)LED顯示環節：本設計中用PLC的帶鎖存的7段顯示指令SEGL，其格式為:SEGL[S*][D*]n指令用12個掃描周期顯示一組或兩組4位數據，由[D*]的第