圖3.1所示，整體上分為3個部分：1.西門子S7-200主控:負責輸出轉速信號和方向電平。2.PMM8713脈沖分配模塊:負責對PLC發出的脈沖進行整形。3.驅動模塊：主要負責接受控制脈沖信號，將數信號轉為模擬信號進行放大。圖3.1系統整體結構圖控制系統的工作原理本次畢業設計的內容主要是對步進電機的PLC控制進行研究。采用西門子S7-200作為主控制器，并且能夠達到了軟件與硬件相結合控制的目的。PLC的脈沖分配可分為軟件法和硬件法。軟件控制法是采用軟件編程取代脈沖分配器來達到控制步進電機的目的。而硬件控制法是用專用脈沖分配芯片來控制脈沖的。用PLC控制步進電機，需實現步進電機的速度控制，位置控制和加減速控制。電路組成和工作原理電路主要由西門子S7-200PLC、PMM8713環形分配、驅動電路、步進電動機、光電編碼器構成。主處理器PLC通過I/O端口與PMM8713相連，將運動控制命令發送給PMM8713，并通過編程對步進電機的速度、位置、加減速進行設定，由PMM8713對功率放大電路發出信號穿給步進電機，增量編碼器提供一個反饋回路給PLC，從而構成一個控制系統。運動控制的實現1.速度控制步進電機的速度控制通過PLC發出的步進脈沖頻率來實現，從圖3.2可以看出，受到步進電機輸入脈沖的周期改變的影響，然而脈沖變化的快慢也最終使電機的轉速也跟著變化。因而要想改變步進電機的轉動速度就只需要改變輸入電機的脈沖周期就可以了。由步進電機的轉速n=(其中轉子齒數=50，我這邊是42BYG4503混合步進電機;運行拍數m=8)及轉速的控制要求最高轉速和最低轉速，這些都對應著脈沖頻率的變化，從何實現速度的控制。圖3.2脈沖分配波形圖2.加減速控制步進電機的正轉或是反轉時，都是由加速、恒速和減速這三個過程組成。步進電機的啟動需要有加速過程;步進電機的停止需要有減速過程。原因就在于假如步進電機接收到的信號變化太快，就會出現堵轉或是失步現象，而出現這個現象就是因為信號變化太快產生的慣性的作用而使步進電機的動作跟不上信號的變化頻率，從而出現位置精度降低的影響。為了達到加速或是減速控制的要求，并且任何的加減速不過程都是會滿足一定的曲線關系的，直線、曲線、指數函數等等，如圖3.3是兩種比較常見的加減速運行曲線。之所以需要選定某種加減速曲線是因為當選擇了最佳的曲線后，可以使步進電機的加減速過程不至于出現堵轉、失步、過沖等不良現象，就可以充分利用現有的轉矩，能夠快速響應，縮短加減速時間。比較簡單的，且容易編寫程序的加減速曲線就是如圖3.3（a）所示的勻加速或是勻減速曲線。由于在采用直線加速時，加速度不變，就要求轉矩也是非線性關系。這就會導致轉速的提高使轉矩降低。因此，按照這種直線進行加速會因為轉矩的不足而出現不良現象。采用如REF_Ref68282845\h圖3.3（b）所示的按照實際加減速工程擬合的曲線可以對步進電機實現最佳的控制，原因就在用于電動機的電磁轉矩與轉速是接近指數形式的關系。圖3.3加減速運行曲線3.位置控制步進電機從一個位置精確運行到另一個位置的過程就是步進電機的位置控制。步進電機每前進一步都是因為接收到了一個脈沖信號，原因在于步進電機的角度位移是與其所接受的脈沖個數成正比的。這樣步進電機的角位移以及脈沖個數之間的正推導或是反推導就很簡單了，并且還實現步進電機的步數控制。

控制系統的硬件設計PLC的選型西門子PLC型號多樣，本文中應用的西門子S7-200系列PLC可以滿足多種多樣的自動化控制要求。適用于單機控制或小型系統控制，由于具有緊湊的設計、良好的擴展性、低廉的價格及強大的指令系統，S7-200可以幾乎完美的滿足小規模的控制要求。由于步進電機控制系統應用的輸入輸出點數較少，故直接選用CPU224DC/DC/DC系列PLC，訂貨號為:6ES7214-2AD23-0XB8，該PLC自身集成了14個開關量輸入點和10個開關量輸出點，CPU224DC/DC/DC系列PLC帶有兩路高速脈沖輸出通道,能夠直接控制步進電機驅動器,進而實現步進電機控制的要求。選型入下REF_Ref71302001\h表4.1所示:表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s11電氣元件選型清單序號名稱型號數量品牌1CPU224DC/DC/DC6ES7214-2AD23-0XB81西門子2微型斷路器NXB-632PC102正泰3開關電源S-150-241臺灣明偉4按鈕NP2-BA312正泰5旋鈕（二擋）NP2-BD211正泰I/O地址分配表4.2I/O分配表符號輸入地址符號輸出地址自動啟動按鈕I0.0步進電機脈沖輸出Q0.0自動停止按鈕I0.1Q0.1方向選擇I0.2步進電機方向輸出Q0.2輸入啟動停止單步連續三拍六拍正轉反轉I0.0I0.1I0.6I0.7I0.4I0.5I0.2I0.3輸出A1B1C1A2B2C2+24V（主機）Q0.2Q0.3Q0.4I/O接線圖根據I/O分配表繪制I/O端子接線圖4.1圖4.1I/0端子接線圖S7-200電氣接線圖該電氣接線圖進線電源220V，通過斷路器接電源開關，PLC和步進驅動器供電都是DC24V。PLC的脈沖和方向接步進電機驅動器的脈沖和方向口，步進驅動和電機是A+A-B+B-連接，輸入的開關指令直接接PLC的輸入。如圖4.2所示。圖4.2電氣接線圖驅動電路設計圖4.3驅動電路圖表4.342BYG4503混合式步進電機的相關參數型號42BYG4503步距角0.9°/1.8°相數4相驅動電壓24V相電流1.5A保持轉矩0.48N.M空載起動頻率1200步/秒空載運行頻率≥20千步/秒轉動慣量0.04Kg.cm2相電感2.3mH相電阻1.9Ω電阻和電容的取值1.濾波器件R1和C1:取R1=10KΩ，C1=0.001μF。2.取樣電阻R2:大了影響電機的動態特性;小了采樣精度不高且損耗過大一般取0.4Ω，故其上面的電壓為1V。3.續流電阻R4:太大，電流變化率小，導致放電慢，太小容易發熱，故取R4=10KΩ。4.并接電容C2:其目的是為了改善注入電流脈沖前沿，當大功率管導通瞬間，就有一個沖擊電流進入電動機繞組,因此將明顯地提高電動機的高頻特性,節省能量,取C2=0.47μF。光電耦合器的設計光電耦合器是把像發光二極管之類的發光器件和光敏三極管之類的光敏器件組裝在一起的，其實現耦合的方式是通過光線，從而構成了從光到電，再從電到光的轉換。光電耦合器有很多種，如圖4.4是常用的一種，在本系統中選用東芝公司的TLP521-2(如圖4.5所示)光電耦合器。圖4.4光電耦合器簡圖圖4.5TLP521-2實物圖環形分配器的選型在步進電動機的PLC控制系統中，由PLC產生控制信號，控制功率驅動電路按照一定的順序開通或關斷。PLC完成控制脈沖分配、控制步進電動機的轉向和控制步進電動機的轉速等功能。軟件法和硬件法是實現脈沖分配的兩種常用方法，兩種方法的簡介如下:1.通過軟件實現脈沖分配其過程如下:在內存ROM去開辟一個存儲空間來存放不同通電方式下的幾種輸出狀態(控制字)，系統軟件按照電機正、反轉的要求，按正、反順序依次將這幾個控制字的內容取出來并送至PLC的輸出口，步進電機每轉一個步距角(即實現一拍)就是因為接收了一個控制字。2.通過硬件實現脈沖分配硬件法實際上就是使用環形分配器來進行脈沖分配，PLC只需要將步進脈沖和方向的電平信號發送給脈沖分配器就好了。而現在市場的脈沖分配器也有很多種，我這里使用8713集成電路芯片。對于8713芯片而言，單時鐘輸入即加方向信號或是雙時鐘輸入即正轉或是反轉時鐘都是可以選擇的;并且8713芯片可以控制正反轉，其還具有初始化復位和輸入脈沖監視等許多實用功能；為了提高抗干擾能力，其內部輸入端都設有斯密特整形電路；使用大小為4V~18V的直流電源，相輸出驅動能力為±20mA。8713還采用DIP16封裝。本系統通過硬件法實現脈沖分配且使用單時鐘輸入脈沖，8713的引腳為步進脈沖輸入端，4引腳為轉向電平控制端，這兩個引腳的輸入均由PLC提供和控制。5，6腳對步進電動機進行方式控制，通過9腳控制復位,如圖4.6是PMM8713的示意圖。圖4.6PMM8713引腳圖由于采用了脈沖分配器幫PLC完成了脈沖整形的工作，使得PLC只需完成速度和轉向電平控制即可。因此，CPU的負擔減輕許多。控制系統的軟件設計步進電機模擬控制流程分析控制要求:當按鈕開關撥到單步時，必須每按一次起動，電機才能旋轉一個角度;當按鈕開關撥到連續時，按一次起動，電機旋轉，直到按停止;當按鈕開關撥到三拍時，旋轉的角度為3度;當按鈕開關撥到六拍時，旋轉角度為1.5度;當按鈕開關撥到正轉時，旋轉按順時針旋轉;當按鈕開關撥到反轉時，旋轉按逆時針旋轉;當單步要轉到連續或連續轉到單步，可以通過停止也可以直接轉換;(通過編程)當三拍要轉到六拍或六拍要轉到三拍，可以通過停止也可以直接轉換;(通過編程)當正轉要轉到反轉或反轉要轉到正轉，可以通過停止也可以直接轉換(通過編程)。如圖5.1步進電機控制流程圖所示。圖5.1步進電機控制流程圖而本課題使用PLC為西門子S7-200CN系列PLC可以直接輸出脈沖驅動42BYG4503混合型電機運行，指令可通過程序代替，而“變頻信號源”、“脈沖分配器”、“脈沖放大器”則全部由PLC替代，進而取代了具有以上四項功能的驅動器，使得控制十分簡單，所以本課題的控制框圖可簡單用圖5.2表示。圖5.2步進電機控制系統框圖程序梯形圖設計

仿真仿真界面這幅圖片表示，在單步驟選擇之后選擇三拍，當選擇單拍再選擇三拍，這時候按啟動鍵以后步進電機運行，它實現步進電機的單三拍運行，也就是ABC的單步運行。如圖6.1單三拍運行圖。圖6.1單三拍運行圖第二幅圖表示，步進電機在單步檔翻拍正向選擇的第二步。圖6.2單步檔翻拍圖這副圖表示，步進電機在單步檔和六拍選擇當中的狀態運行模式下，按下啟動按鈕以后，它實現單向六拍運行模式。圖6.3單向六拍圖顯示步進電機的單項六拍當中的第二拍。圖6.4單項六拍第二拍圖步進電機六拍選擇當中的第三拍。圖6.5單項六拍第三拍圖步進電機單向六拍當中的第四拍。圖6.6單項六拍第四拍圖步進電機單向六拍當中的第五拍。圖6.7單項六拍第五拍圖組態整體截圖圖6.8組態整體截圖仿真程序if(\\本站點\啟停==1){//\\本站點\單步檔\\本站點\三拍選擇\\本站點\三拍正轉選擇if(\\本站點\單步檔==0){if(\\本站點\三拍選擇==1){if(\\本站點\三拍正轉選擇==1){\\本站點\三拍時間=\\本站點\三拍時間+1;if(\\本站點\三拍時間>=0&&\\本站點\三拍時間<5){\\本站點\A=1;\\本站點\B=0;\\本站點\C=0;}if(\\本站點\三拍時間>=5&&\\本站點\三拍時間<10){\\本站點\A=0;\\本站點\B=1;\\本站點\C=0;}if(\\本站點\三拍時間>=10&&\\本站點\三拍時間<15){\\本站點\A=0;\\本站點\B=0;\\本站點\C=1;}if(\\本站點\三拍時間>=15&&\\本站點\三拍時間<20){\\本站點\A=0;\\本站點\B=0;\\本站點\C=0;\\本站點\三拍正轉選擇=0;\\本站點\三拍選擇=0;\\本站點\單步檔=0;\\本站點\三拍時間=0;}}}}//\\本站點\單步檔\\本站點\三拍選擇\\本站點\三拍反轉選擇if(\\本站點\單步檔==0){if(\\本站點\三拍選擇==1){if(\\本站點\三拍反轉選擇==1){\\本站點\三拍時間=\\本站點\三拍時間+1;if(\\本站點\三拍時間>=0&&\\本站點\三拍時間<5){\\本站點\A=0;\\本站點\B=0;\\本站點\C=1;}if(\\本站點\三拍時間>=5&&\\本站點\三拍時間<10){\\本站點\A=0;\\本站點\B=1;\\本站點\C=0;}if(\\本站點\三拍時間>=10&&\\本站點\三拍時間<15){\\本站點\A=1;\\本站點\B=0;\\本站點\C=0;}if(\\本站點\三拍時間>=15&&\\本站點\三拍時間<20){\\本站點\A=0;\\本站點\B=0;\\本站點\C=0;\\本站點\三拍正轉選擇=0;\\本站點\三拍選擇=0;\\本站點\單步檔=0;\\本站點\三拍時間=0;}}}}//if(\\本站點\單步檔==0){if(\\本站點\六拍選擇==1){if(\\本站點\六結論本次畢業設計通過對步進電機結構、工作原理以及控制系統和驅動的了解，通過查閱相關資料，設計了PLC控制步進電機的控制方法。通過對PLC控制三相步進電機運行控制的方法研究，通過實驗得到驗證實現，當在控制三相步進電機時，可以選擇手動開關和自動開關，實現對步進電機在單步和連續工作方式的情況下的正反轉運行切換，同時也可以實現三拍和六拍的步進時序。在設計過程中，遇到了很多阻力，知識的匱乏，諸如程序的編寫，包括循環移位指令的使用、調速指令的采用等等，自己在查閱書籍資料同時也向老師同學請教，這些問題最終才得以解決。通過PLC發出脈沖來控制步進電機運行的方式，在工業生產等很多領域已經得到廣泛的采用，比如磁頭定位系統，數控機床，線切割機等領域。利用步進電機較準確的定位和能輸出一定大小的力矩的特點，已成為位置定位控制系統中首選的控制手段。隨著電力電子、DSP及計算機等多種技術的發展，步進電機控制系統中的細分功能、節能功能的驅動器技術會得到更加廣泛的應用，使得PLC控制步進電機這一控制方式不斷完善和發展。此次畢業設計的課題為基于PLC的步進電動機控制系統設計，對于一名電氣工程及其自動化專業的學生來說，這次畢業設計的題目還是比較適合我的。此課題可以對我之前所學各門課程的知識進行一個總結，以提高我的綜合素質，對于我日后的工作將會有很大的幫助。

參考文獻[1]劉志永.淺析步進電機的PLC控制技術與發展趨勢[J].科技資訊,2006(27).[2]王麗.二相混合式步進電動機微步驅動技術的研究[D].西安:西安理工大學碩士學位論文,2005,1.[3]丁偉雄,楊定安，宋曉光.步進電機的控制原理及其單片機控制實現[J].煤礦機械,2005,6:127-129.[4]劉興輝,畢國玲.步進電機的單片機控制系統研制[J].遼寧大學學報,2007,3