毕业设计论文：基于PLC的步进电机的控制

1、 毕业设计（论文）报告题 目 基于PLC的步进电机的控制基于PLC的步进电机的控制基于PLC的步进电机的控制摘要:小型PLC在编程，I/O扩展，通讯接口，开关量和模拟量的调节以及一些特殊功能模块如高速计数输入和脉冲输出的应用上已经基本满足用户的需求了。但随着应用需求及关联产品技术性能的提升，PLC将继续得已完善和发展。本文主要论述了步进电机的原理及驱动方法，并在S7-200 PLC的基础上，对步进电机进行控制。本设计选用PLC控制两相混合式步进电机，在PLC编程的基础上用按钮开关控制步进电机的启动、正转、反转等基本功能。关键词：S7-200 PLC、两相混合式步进电机、PLC编程Control

2、 of stepping motor based on PLCAbstract:In the field of programming, I/O expansion, Communication interface, adjustments of switches and simulation and some special function modules such as the application of high speed pulse input and output, the PLC has already met demands of users. But the PLC wi

3、ll continue to improve and develop, as the development of application requirements and related technical performance. This article chiefly discusses the principle and driven approach of the stepping motor, and how to control it based on the S7-200 PLC. The article is about how the PLC controlling th

4、e two-phase hybrid stepping motor. With the switch button, it can function as: start,positive rotation，inversion.Key words: S7-200 PLC. two-phase hybrid stepping motor, PLC programming.目录第一章 绪论11.1 概述11.2 S7-200PLC国内外现状和发展趋势21.3 论文的主要研究工作3第二章 西门子 S7-200 PLC42.1 PLC的产生42.2 PLC的特点42.2.1 编程方法简单易学42.2.2

5、 硬件配套齐全，用户使用方便52.2.3 通用性强，适应性强52.2.4 可靠性高，抗干扰能力强52.2.5 系统的设计、安装、调试工作量少52.2.6 维修工作量小，维修方便52.2.7 体积小，能耗低52.3 PLC的系统构成62.3.1 主机62.3.2 I/O扩展机62.3.3 外部设备72.4高速脉冲输出功能72.4.1用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器72.4.2 PTO的使用92.5 PLC的选择102.5.1 CPU224102.5.2 工作方式102.5.3 扫描周期112.5.4 性能简介及特点112.6 PLC技术在步进电机控制中的应用12第三章 步进电机14

6、3.1 步进电机的特点143.2 步进电机的基本参数153.3 步进电机的工作原理及分类153.3.1 步进电机的工作原理163.3.2 步进电机的分类163.3.3 步进电机在工业中的应用17第四章S7-200 PLC控制步进电机设计184.1 步进电机的选择184.2 步进电机驱动电路设计194.2.1 驱动器的选择194.2.2 步进电机驱动技术194.2.3 驱动器参数设置224.3 PLC控制步进电机224.3.1接线实物图234.3.2 控制电机方向转动244.4 程序调试25第五章 论文总结28参考文献29致谢30附录31iv无锡科技职业学院毕业设计（论文）基于PLC的步进电机的

7、控制第一章 绪论1.1 概述可编程控制器(简称 PLC) 是一种数字运算操作的电子系统，是在20 世纪 60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。PLC 自产生至今只有30多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。产生和发展过程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产

8、品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同:1）中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后

9、将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。2）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器1。步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输人脉冲个数成正比，其速度与单位时间内输人的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，

10、便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而广泛应用在数控机床、钟表、数字系统、程序控制系统及航天工业装置中。PLC 对步进电机也具有良好的控制能力，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，即可实现对步进电机的控制。因此如何实现PLC控制步进电机的通用控制电路设计方法有着实际生产意义。1.2 S7-200PLC国内外现状和发展趋势限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了

11、微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使

12、其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制

13、领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。小型PLC从产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；如今的小型PLC在编程，I/O扩展，通讯接口，开关量和模拟量的

14、调节以及一些特殊功能模块如高速计数输入和脉冲输出的应用上已经基本满足用户的需求了。但随着应用需求及关联产品技术性能的提升（如步进驱动的脉冲响应频率及精度，HMI及关联系统的通讯功能），PLC将继续得已完善和发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。1.3 论文的主要研究工作掌握步进电机的原理及其驱动方法，掌握西门子S7-200 PLC的原理与程序设计方法。

15、掌握步进电机的电气控制试验系统的工作原理，基于该系统设计S7-200 PLC程序，实现主站PLC对步进电机的控制。第二章 西门子 S7-200 PLC2.1 PLC的产生传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是，这些控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是接线复杂、排除故障非常困难而且要花费大量的时间。如果工艺要求发生变化，控制柜内的元件和接线也需要作相应的变动，改造的工期长、费用高，通用性和灵活性较差。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断翻新，想寻找一种方法，以尽可能减少重新设计继电器控制系统和接

16、线、降低成本、缩短时间，而考虑把计算机的功能完善、通用灵活等优点与继电器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，提出了研制PLC的基本设想：1.编程简单方便，可在现场修改程序；2.硬件维护方便，最好是插件式结构；3.可靠性要高于继电器控制装置；4.体积小于继电器控制装置；5.可将数据直接送入管理计算机；6.成本上可与继电器竞争；7.输入可以是交流115V；8.输入为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀；9.扩展时，原有系统只需做很小的改动；10.用户程序存储器容量器容量至少可以扩展到4K。根据以上设想和要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第

17、一台可编程控制器，并在通用汽车公司的汽车生产线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。从此，这一更新技术就以很快的速度发展起来，现代的PLC已成为现代工业控制的三大支柱（PLC，机器人和CADCAM）之一。2.2 PLC的特点2.2.1 编程方法简单易学 考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的传统读图习惯和应用微机的实际水平，PLC配备有他们最容易接受和掌握的梯形图语言。梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图非常接近。而且某些仅有开关量逻辑控制功能的PLC只有十几条指令。通过阅读PLC的使用手册或短期培训，电气技术人员或技术工人只要几天的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序

18、。2.2.2 硬件配套齐全，用户使用方便 PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作硬件装置。用户在硬件方面的设计工作只是确定PLC的硬件配置和外部接线。PLC的安装接线也很方便。2.2.3 通用性强，适应性强 PLC的生产具有系列化和模块化特点，硬件配置相当灵活，可以很方便地组成能满足各种控制要求的控制系统。组成系统后，如果工艺变化，可以通过修改用户程序，方便快速地适应变化。2.2.4 可靠性高，抗干扰能力强 绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。PLC的平均无故障间隔时间高，

19、如日本三菱公司的F1、F2系列PLC的平均无故障间隔时间长达30万小时，这是一般微机所不能比拟的。2.2.5 系统的设计、安装、调试工作量少PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序很容易掌握，设计和调试梯形图所花的时间比设计继电器系统电路图花的时间要少得多。2.2.6 维修工作量小，维修方便PLC的故障率很低，并且有完善的诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的指示灯或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因。用更换模块的方法可以迅速地排除PLC的故障。2.2.

20、7 体积小，能耗低以F1意40M型PLC为例，其外形尺寸为305×ll0×110mm，功耗小于25VA。由于体积小，PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。2.3 PLC的系统构成PLC实际上是一种工业控制计算机。它的硬件结构与一般微机相似，主要由主机、I/O扩展机、外围设备三部分组成，2.3.1 主机主机由CPU（微处理器）、存储器、输入输出单元、电源等部分组成。CPU是PLC的核心，其作用类似于人的大脑。它能够识别用户按特定格式输入的指令，并按照指令完成预定的控制任务。另外，它还能识别用户所输入的指令序列的格式和语法错误，还具有系统测试与诊断功能

21、。PLC的存储器有两种：系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序存储器主要用于存放系统正常工作所必须的程序，如系统诊断程序、键盘输入处理程序、指令解释程序、监控程序等。这些程序与用户无直接关系，已由厂家直接固化进EPROM中，不能由用户直接存取、修改。用户程序存储器主要存放用户程序（用户利用PLC的编程语言按不同控制要求所编制的控制程序或数据，这相当于设计继电器控制系统硬接线的控制电路图），可通过编程器进行修改。输入输出（IO）单元是PLC与输入控制信号和被控制设备连接起来的部件，输入单元接收从开关、按钮、继电器触点和传感器等输入的现场控制信号，并将这些信号转换成CPU能接收和处理的数字信号。

22、输出单元接收经过CPU处理过的输出数字信号，并把它转换成被控制设备或显示装置所能接收的电压或电流信号，以驱动接触器、电磁阀和指示器件等。电源部件是把交流电转换成直流电的装置，它向PLC提供所需要的直流电源。电源组件具有很高的抗干扰能力，适合工业现场使用，供电稳定、安全可靠。电源组件内还装有备用锂电池，以保证在断电时保存必要的信息。PLC还有各种接口，PLC通过这些接口可与监视器、打印机、其它的PLC或计算机等相连。2.3.2 I/O扩展机每种PLC都有与主机相配的扩展模块，用来扩展输入、输出点数，以便根据控制要求灵活组合系统。PLC扩展模块内不设CPU，仅对I/O通道进行扩展，不能脱离主机独立

23、实现系统的控制要求。2.3.3 外部设备外部设备包括编程器、盒式磁带机、打印机、EPROM写入器、图形监控系统等。其中编程器是PLC必不可少的重要外围设备，由键盘、显示器、工作方式选择开关和外存储器接插口等部件组成，主要用于对用户程序进行输入、检查、调试和修改，并用来监视PLC的工作状态。编程器有简易型和智能型两类。简易型编程器只能联机编程，且需将梯形图转化为助记符后才能送入。智能型编程器又称图形编程器，它既可联机编程，又可脱机编程，具有图形显示功能，可直接输入梯形图和通过屏幕对话，但价格较贵。现在也可在个人计算机上填加适当的硬件接口，利用生产厂家提供的编程软件包就可将计算机作为编程器使用，而

24、且还可以在计算机上实现模拟调试。PLC与打印机相连可将过程信息，系统参数等输出打印。当与监视器相连时可将控制过程图象显示出来。当PLC与PLC相连时，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。当PLC与计算机相连时，可组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。2.4高速脉冲输出功能脉冲输出（PLS）指令功能为：使能有效时，检查用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作。指令格式如表2-1所示。表2-1 脉冲输出（PLS）指令格式LADSTL操作数及数据类型PLS QQ：常量（0或1）数据类型字2.4.1用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1

25、）的特殊存储器（1）控制字节和参数的特殊存储器每个PTO/PWM发生器都有：一个控制字节（8位）、一个脉冲计数值（无符号的32位数值）和一个周期时间和脉宽值（无符号的16位数值）。这些值都放在特定的特殊存储区（SM），如表4所示。执行PLS指令时，S7-200读这些特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作，即对相应的PTO/PWM发生器进行编程。表2-2 脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器Q0.0和Q0.1对PTO/PWM输出的控制字节Q0.0Q0.1说明SM67.0SM77.0PTO/PWM刷新周期值 0 ：不刷新；1 ：刷新SM67.1SM77.1PWM刷新脉冲宽度

26、值 0 ：不刷新；1：刷新SM67.2SM77.2PTO刷新脉冲计数值 0 ：不刷新；1：刷新SM67.3SM77.3PTO/PWM时基选择 0 ：1 µs； 1：1msSM67.4SM77.4PWM更新方法 0 ：异步更新；1：同步更新SM67.5SM77.5PTO操作 0 ：单段操作；1：多段操作SM67.6SM77.6PTO/PWM模式选择 0 ：选择PTO 1 ： 选择PWMSM67.7SM77.7PTO/PWM允许 0：禁止； 1 ：允许Q0.0和Q0.1对PTO/PWM输出的周期值Q0.0Q0.1说明SMW68SMW78PTO/PWM周期时间值（范围：2至 65 535）

27、Q0.0和Q0.1对PTO/PWM输出的脉宽值Q0.0Q0.1说明SMW70SMW80PWM脉冲宽度值（范围：0至65 535）Q0.0和Q0.1对PTO脉冲输出的计数值Q0.0Q0.1说明SMD72SMD82PTO脉冲计数值（范围：1至4 294 967 295）Q0.0和Q0.1对PTO脉冲输出的多段操作Q0.0Q0.1说明SMB166SMB176段号（仅用于多段PTO操作），多段流水线PTO运行中的段的编号SMW168SMW178包络表起始位置，用距离V0的字节偏移量表示（仅用于多段PTO操作）Q0.0和Q0.1的状态位Q0.0Q0.1说明SM66.4SM76.4PTO包络由于增量计算错

28、误异常终止 0 ：无错；1 ： 异常终止SM66.5SM76.5PTO包络由于用户命令异常终止 0 ： 无错；1 ：异常终止SM66.6SM76.6PTO流水线溢出 0 ：无溢出； 1 ： 溢出SM66.7SM76.7PTO空闲 0 ：运行中； 1 ： PTO空闲通过修改脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器SM区（包括控制字节），既更改PTO或PWM的输出波形，然后再执行PLS指令。注意：所有控制位、周期、脉冲宽度和脉冲计数值的默认值均为零。向控制字节（SM67.7或SM77.7）的PTO/PWM允许位写入零，然后执行PLS指令，将禁止PTO或PWM波形的生成。（2）状态字节的特殊存储器

29、除了控制信息外，还有用于PTO功能的状态位，如表2所示。程序运行时，根据运行状态使某些位自动置位。可以通过程序来读取相关位的状态，用此状态作为判断条件，实现相应的操作。2.4.2 PTO的使用PTO是可以指定脉冲数和周期的占空比为50%的高速脉冲串的输出。状态字节中的最高位（空闲位）用来指示脉冲串输出是否完成。可在脉冲串完成时起动中断程序，若使用多段操作，则在包络表完成时起动中断程序。（1）周期和脉冲数周期范围从50微秒至65,535微秒或从2毫秒至65,535毫秒，为16位无符号数，时基有s和ms两种，通过控制字节的第三位选择。注意： 如果周期< 2个时间单位，则周期的默认值为2个时间

30、单位。周期设定奇数微秒或毫秒（例如75毫秒），会引起波形失真。脉冲计数范围从1至4,294,967,295，为32位无符号数，如设定脉冲计数为0，则系统默认脉冲计数值为1。（2）PTO的种类及特点PTO功能可输出多个脉冲串，现用脉冲串输出完成时，新的脉冲串输出立即开始。这样就保证了输出脉冲串的连续性。PTO功能允许多个脉冲串排队，从而形成流水线。流水线分为两种：单段流水线和多段流水线。单段流水线是指：流水线中每次只能存储一个脉冲串的控制参数，初始PTO段一旦起动，必须按照对第二个波形的要求立即刷新SM，并再次执行PLS指令，第一个脉冲串完成，第二个波形输出立即开始，重复此这一步骤可以实现多个脉

31、冲串的输出。单段流水线中的各段脉冲串可以采用不同的时间基准，但有可能造脉冲串之间的不平稳过渡。输出多个高速脉冲时，编程复杂。2.5 PLC的选择选择西门子S7-200 CPU224 的PLC。2.5.1 CPU224 本机集成了： (1) 14 输入/10输出，共24个数字量I/O点； (2) 可连接7个扩展模块，最大可扩展至168 路数字量I/O点或35路模拟量I/O点； （3 ) 13KB程序和数据存储空间； （4） 6个独立的30kHZ高速计数器，2路独立的20kHZ高速脉冲输出； (5) 具有PID控制器； (6) 1个RS485通信/编程口； (7) 具有PPI通信协议； (8) 具

32、有MPI通信协议； (9) 具有自由方式通信能力； (10) I/O端子排可很容易地整体拆卸。2.5.2 工作方式 S7-200 有3种工作方式：RUN(运行) 、STOP(停止) 、TERM(terminal ,终端) 工作方式，可通过安装在PLC 上的方式选择开关进行切换。(1) RUN 方式：在RUN方式下，CPU执行用户程序。(2) STOP 方式：在STOP方式下，不能运行用户程序，可以向CPU装载用户程序或进行CPU设置。(3) TERM方式：在TERM方式下，允许使用工业编程软件STEP 7-Micro/WIN32来控制CPU的工作方式。(4) 当电源断电又恢复后，如果方式选择开

33、关在TERM或STOP状态下，CPU自动进入STOP方式；如果方式选择开关在RUN状态下，则CPU 自动进入RUN方式。2.5.3 扫描周期在RUN方式下，系统周期性地循环执行用户程序。PLC在每次扫描工作过程中除了执行用户程序外，还要完成内部处理、通信服务等工作。整个扫描过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新5个阶段。整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。即全部输入输出状态的改变，需要一个扫描周期。2.5.4 性能简介及特点 S7-200 PLC 是德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程器，它能够满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性

34、以及强大的指令功能，可代替继电器用于简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。 S7-200系列主要有以下几个方面的特点：(1)极高的可靠性；(2)易于掌握；(3)极其丰富的指令集；(4)便捷的操作特性；(5)实时特性；(6)丰富的内置集成功能；(7)强大的通信能力；(8)丰富的扩展模块。附：见图2.1 图2-1 S7-200CPU224PLC的结构图2.6 PLC技术在步进电机控制中的应用随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套

35、的电动机也必须越来越小。对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性。向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。目前利用可编程序控制器（PLC）可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现。用PLC对步进电机也具有良好的控制能力，

36、利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，现对步进电机的控制。步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件，每当对其施加一个电脉冲时，其输出轴便转过一个固定的角度。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。PLC直接控制步进电机系统由PLC和步进电机组成，PLC具有实时刷新技术，输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高，使得脉冲分配能有很高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统

37、的快速性。并且，PLC有采用大功率晶体管的输出端口，能够满足步进电机各相绕组数10V级脉冲电压、1A级脉冲电流的驱动要求。第三章 步进电机步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输人脉冲个数成正比，其速度与单位时间内输人的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。3.1 步进电机的特点步进电机的特点如下：1）电动机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比；转向与通电相序有关。当它转一周后，没有累积误差，具有良好的跟随性。2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价又非常可靠。同时，它也可以

38、与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3）步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。4）步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。5）步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。6）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩。7）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源以及直流电源2。8）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。9）步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点，步进电机温度过高时会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料

39、的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。10）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。11）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机

40、达到高速转动，脉冲频率应有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频43.2 步进电机的基本参数1.电机固有步距角 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。2.步进电机的相数 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.

41、72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。3.保持转矩 保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2Nm的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2Nm的步进电机。 4.钳制转矩 钳制转矩是指步进电机没有通电的情况下，定

42、子锁住转子的力矩。由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有钳制转矩。3.3 步进电机的工作原理及分类步进电动机或称脉冲电动机，是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。步进电动机实际上是一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转动一个固定的角度，称为“一步”，这个固定的角度称为步距角。步进电动机的运动状态是步进形式的，故称为“步进电动机”。从步进电动机定子绕组所加的电源形式来看，与一般交流和直流电动机不同，既不是正弦波，也不是恒定直流，而是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电动机或电脉冲马达。3.3.1 步进电机的工作原理步进电机是

43、一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。3.3.2 步进电机的分类按其工作方式分为功率式和伺服式：功率式输出转矩较大，能直接带动较大的负载；伺服式输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。按结构分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。按使用频率分为

44、高频步进电动机和低频步进电动机。按运动方式：旋转运动、直线运动、平面运动和滚切运动按工作原理：反应式（磁阻式）、永磁式、永磁感应子式（混合式）。1）永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。2）反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。3）混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，它又分为两相和五相。两相步进角一般分为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。3.3.3 步进电机在工业中的应用步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一， 广泛应用在各种家电产品中，例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、机械手臂和录像

45、机等。另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中。由于通过控制脉冲个数可以很方便的控制步进电机转过的角位移，且步进电机的误差不积累，可以达到准确定位的目的。还可以通过控制频率很方便的改变步进电机的转速和加速度，达到任意调速的目的，因此步进电机可以广泛的应用于各种开环控制系统中。第四章S7-200 PLC控制步进电机设计步进电机的控制和驱动方法很多，按照使用的控制装置来分可以分为:普通集成电路控制、单片机控制、工业控制机控制、可编程控制器控制等几种。本设计选用西门子S7-200 PLC通过控制驱动器来控制步进电机。4.1 步进电机的选择本设计使用的步进电机选用的是型号为DM4250E的两相混合

46、式步进电机，该型号的步进电机步矩角为1.8°，相电流1.2A，相电阻30，相电感37mH，静转矩2.8kg·cm，转动惯量36g·cm2，轴径5mm，引线4条，机身长56mm 4。两相混合式步进电机内部结构如图4-1所示：图4-1 两相混合式步进电机内部结构两相混合式步进电动机的绕组接线如图4.2所示，A、B两相绕组沿径向分相，沿着定子圆周有8个凸出的磁极，1、3、5、7磁极属于A相绕组，2、4、6、8磁极属于B相绕组，定子每个极面上有5个齿，极身上有控制绕组。转子由环形磁钢和两段铁芯组成，环形磁钢在转子中部，轴向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端，使得转子轴向分为

47、两个磁极。转子铁芯上均匀分布50个齿，两段铁芯上的小齿相互错开半个齿距，定转子的齿距和齿宽相同。线圈1、5、3、7串联组成A相绕组；线圈2、6、4、8串联组成B相绕组。绕组接线如图4-2所示：图4-2 两相混合式步进电动机的绕组接线4.2 步进电机驱动电路设计步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动。4.2.1 驱动器的选择本设计选用型号为DMD402A的驱动器。该型号驱动器的特点：1）平均电流控制，两相正弦电流驱动输出2）直流1440VDC供电3）光电隔离信号输入/输出4）有过压、欠压、过流、相间短路

48、保护功能5）8档细分和自动半流功能6）8档输出相电流设置7）具备脱机功能8）启动转速高9）高速力矩大4.2.2 步进电机驱动技术驱动器内部结构如图4-3所示：图4-3 驱动器内部结构接口电路用光电隔离方式将运动控制器和驱动器连接起来，避免驱动器中的大电流干扰信号经地线窜入运动控制器电路。环形分配器将脉冲及方向信号按设定的节拍方式，转换为功放管的导通和截止信号，从而控制各相绕组的通电和断电。功率放大器将电源功率转换为电机输出功率驱动负载运动。驱动接口电路如图4-4所示：图4-4 本设计驱动电路接线图当两相控制绕组按次序轮流通电，每拍只有一相绕组通电，四拍构成一个循环。当控制绕组有电流通过时，便产

49、生磁动势，它与永久磁钢产生的磁动势相互作用，产生电磁转矩，使转子产生步进运动。 当A相绕组通电时，在转子N极端磁极1上的绕组产生的S磁极吸引转子N极，使得磁极1下是齿对齿，磁力线由转子N极指向磁极1齿面，磁极5下也是齿对齿，磁极3和7是齿对槽，所示A相通电转子N极端定转子平衡。由于两段转子铁芯上的小齿相互错开半个齿距，在转子S极端， 磁极1和5产生的S极磁场，排斥转子S极，与转子正好是齿对槽，磁极3和7齿面产生N极磁场，吸引转子S极，使得齿对齿。A相绕组通电时转子N极端、S极端转子平衡。如图4-5所示。因转子上共有50个齿，其齿距角为360°/50=7.2°，定子每个极距所

50、占的齿数为不是整数，因此当定子的A相通电，在转子N极，磁极1的5个齿与转子齿对齿，旁边的B相绕组的磁极2的5个齿和转子齿有1/4齿距的错位，即1.8°， A相通电时定转子齿展开图画圆圈的地方，A相磁极3的齿和转子就会错位3.6°，实现齿对槽了。磁力线是沿转子N端A(1)S磁极导磁环A(3)N磁极 转子S端转子N端，成一闭合曲线。当A相断电B相通电时，磁极2产生N极性，吸合离它最近的S极转子7齿，使得转子沿顺时针方向转过1.8°，实现磁极2和转子齿对齿，B相绕组通电定转子齿展开图如图5所示，此时磁极3和转子齿有1/4齿距的错位。依次类推若继续按四拍的顺序通电，转子就

51、按顺时针方向一步一步地转动，每通电一次即每来一个脉冲转子转过1.8°，即称步距角为1.8°，转子转过一圈需要360°/1.8°=200个脉冲。如图4-6所示。在转子S极端也是同样道理,当绕组齿对齿时,其旁边一相磁极错位1.8°5。图4-5 A相通电时定转子齿展开图图4-6 B相绕组通电定转子齿展开图4.2.3 驱动器参数设置由于上述步进电机的相电流为1.4A，驱动器的SW1-SW3分别设置为：ON、ON、ON，即输出峰值电流为0.25A，SW5-SW8分别设置为ON、OFF、ON、ON，即细设定为800步/圈。具体参数参照附录。4.3 PLC控

52、制步进电机控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子PLC本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为10KHz，能够满足步进电动机的要求。对PLC提出两个特性要求：一是在此应用的PLC最好是具有实时刷新技术的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫或更高。其目的是使脉冲能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。利用PLC输出脉冲信号，通过驱动器驱动步进电机。原理框图如图4-7所示：图4-7 控制框图环形分配程序对步进电机各相

53、绕组的通电顺序进行环形脉冲分配，从而控制接到步进电机两相绕组的直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。当步进电机各相绕组的通电顺序按 ：A+B+A-B-导通断开时，步进电机正转。当按A-B+A+B- 依次导通、断开时，步进电机反转，即步进电机可以按两相四拍工作。每当步进电机走一步，环形脉冲分配程序的步数减一，当步数减为零时，停止环形脉冲分配，等待下一次的脉冲输入。控制部分的由外部开关决定，分别接PLC的I0.0-I0.1口，接线图如图4.8所示：图4-8 PLC控制接线图4.3.1接线实物图如图4-9、4-10所示图4-9 接线实物图1图4-10 接线实物图本设计希望通过控制PLC的2个开关实现以下功能：1）起动电机，使其实现正转10圈后自动停止；2）按反转启动按钮，使其实现反转10圈后自动停止启动主程序，则可在此时选择电机转动方向，若电机转动，则无法改变；电机停止时选择电机转动方向，当电机转动到设定的10圈后，电机自动停止。本设计中的输入/输出点地址分配地址如表4-1所示：表4-1 I/O端口分配表输入点符号输出点符号启动信号STARTI0.0脉冲输出信号Q0.0方向选择信号I0.1方向控制信号Q0.14.3.2 控制电机方向转动用接在I0.1的开关来选择方向。如果I0.1=1，将输出Q0.1置高位，则电机逆时针转动。如果I0.1=0，将输出Q0.1