西门子PLC课程设计三相六拍步进电动机控制程序的设计与调试

1、机电工程学院课程设计说明书设计题目：三相六拍步进电动机控制程序的设计与调试学生姓名：士i专业班级：机制*号:*指导教师：上2012年12月08日内容摘要步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点，所以常用作工业过程控制及仪 器仪表的控制元件。目前，比较典型的控制方法是用单片机产生脉冲序列来控制步进电 机。但采用单片机控制，不仅要设计复杂的控制程序和I /O接口电路，实现比较麻烦, 而且对工业现场的恶劣环境适应性差，可靠性不高。使用PLC可编程控制器实现三相六拍步进电动机驱动，可使步进电动机东芝的抗干扰能 力强，可靠性高，同时，由于实现了模块化结构，是系统结构十分灵活，而且编程语言 简短易学，

2、便于掌握，可以进行在线修改，柔性好，体积小，维修方便。本设计是利用PLC做三相六拍步进电动机的控制核心，用按钮开关的通断来实现对 步进电机正，反转控制，而且正，反转切换无须经过停车步骤。其次可以通过对按钮的 控制来实现对高，低速度的控制。充分发挥 PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控 制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计最重要的一条原则。本设计更加 便于实现对步进电机的制动化控制。关键词：PLC控制；三相六拍；步进电动机；电机正反转引言 1第1章步进电动机和PLC简介 21.1 步进电动机 21.1.1 三相六拍步进电动机 2.1.2 PLC 简介 可编程控器概

3、述 31.2.2 可编程控制器的定义 31.2.3 PLC 的特点3.第2章三相六拍步进电动机控制程序的设计 52.1 控制程序流程图及软件模块 52.2 梯形图程序设计 72.2.1 CPU 的选择 72.2.2 输入输出编址 72.2.3 状态真值表 72.3 梯形图程序 82.4 三相六拍步进电机控制语句表 122.5 程序的运行及调试 142.6 I/O接线图 16结论 17设计总结 18谢辞 错误！未定义书签。参考文献 错误！未定义书签。1 .课题内容用PLC控制三相六拍电动机，控制要求如下：1 .三相步进电动机有三个绕组：A,B,C,正转通电顺序为：A- ABH B Bg C- G

4、Z A反转通电顺序为：A- CZ C- B8 B AB A2 .要求能实现正，反转控制，而且正，反转切换无须经过停车步骤。3 .就有两种转速：1号开关合上，则转过一个步距角需 0.5秒。2号开关合上，则转过一个步距角需 0.05秒。4 .要求步进电动机转动100个步距角后自动停止运行。2 .课题要求1 .列出输入输出点分配表；2 .画出PLC的输入输出设备的接线图；3 .利用STEP7-Micro/WIN32软件完成梯形图，指令表的程序设计与调试；4 .完成课程设计说明书。3 .设计思想步进电机的速度控制是通过改变输入脉冲的频率高低实现的。当发生脉冲的 频率减小时，步进电机的速度就下降；当频率

5、增加时，速度就加快。还可以用过频率的改变来提高步进电机的位置精度。以移位指令为步进控制的主体进行程序设计，可较好的满足上述设计要求。15第1章 步进电动机和PLC简介1.1 步进电动机步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角移位或直线移位的开环执行元 件。给定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称为该 步进电机的步距角。当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过一个步 距角。以此类推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。步进电机的使 用需要电脉冲信号发生器的配合，它按照给定的设置重复喂为步进点输送电脉冲 信号，目前这种信号大多数由可编程控制器 （PLC）或单片机来

6、完成。1.1.1 三相六拍步进电动机三相六拍步进电机是一典型单定子、径向分相、反应式伺服电机。具结构原理图它 与普通电机一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁芯和定子绕组。定子 铁芯由电工钢片叠压而成。定子绕组绕制在定子铁芯上，六个均匀分布齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。三相步进电机可构 成三相控制绕组，若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极。在定子的每个磁极上，即定 子铁芯上的每个齿上开了五个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9° ,转子上没有绕组，只有 均匀分布的个40小齿，齿槽也是等宽的,齿间夹角也是,与磁极上的小齿一致。止匕外，三 相

7、定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 1/3齿距,。当A相磁极上的小齿与转子上 的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前或滞后转子齿轮 1/3齿距角,C相磁极齿超前 或滞后转子齿2/3齿距角。三相六拍步进电机的工作原理；当 琳目绕组通电时，转子的齿与定子AAh的齿对齐。若用目断电，B相通电，由于磁力的作用,转子的齿与定子BBt的齿对齐,转子沿顺时针方向转过3° ,如果控制线路不停地按A-B-C-A的循环顺序控制步进电机绕组的通电、 断电，步进电机的转子便不停地顺时针转动，这是三相三拍。而当ABW时通电时，由于两 个滋力的作用，定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过1.5 ° ,

8、原理与三相三拍相同， 从而形成三相六拍，其通电顺序为：厂Af B-B -厂”一4C-C 1-ACT YB /1-ABBTC /1.2 PLC简介1.2.1 可编程控器概述可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable LogicController),简称PLG它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种 装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器， 简称PG但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的

9、简称混淆，所以将可编程 控制器简称PLG1.2.2 可编程控制器的定义可编程控制器简称PC (英文全称：Programmable Controller),它经历了可编程序矩 阵控制器PMC、可编程序顺序控制器 PSG可编程序逻辑控制器 PLC (英文全称： Programmable Logic Controller)和可编程序控制器 PC几个不同时期。为与个人计算机(PC)相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的PLC标准草案 中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应

10、用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算 术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或 生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”1.2.3 PLC的特点1 .可靠性高，抗干扰能力强PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100 ,因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生

11、产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的 可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达 30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减 少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。止匕外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围 器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2 .硬件配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展

12、到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标 准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵 活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以 外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC的功能单元大量涌现，使 PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上 PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容

13、易。3 .易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编 程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电 路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事 工业控制打开了方便之门。4 .系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易 掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间 要少得多。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少

14、了控制设备外部的接线，使控制系统 设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备 经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5 .体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm仅相当于几个继电 器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。它的重量小于 150g,功耗仅数瓦。因体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。第2章 三相六拍步进电动机控制程序的设计2.1 控制程序流程图及软件模块由上述具体控制要求，可作出步进电机在启动运行时的程序框图，如下图所示。以工作框图为依据，结合考虑

15、控制的具体要求，首先可将梯形图程序分成4个模块进行编程，即模块1:步进速度选择：模块2:起动，停止和清零；模块3:移位步进控制功能模 块；模块4: A,B,C三相套组对象控制。然后，在将模块进行连接，最后经过调试，完善， 实现控制要求。控制程序流程图见下页图2.1。开始总计数图2.1拍计数/L 停止, .控制程序流程图2.2 梯形图程序设计2.2.1 CPU的选择本次设计要求正反转和高低速控制共五个输入接口，控制A,B, C三相绕组三个输出接口，所以选用CPU221六个输入，四个输出满足控制要求。2.2.2 输入输出编址控制步进电机的歌输入开关及控制 A,B,C三相绕组工作的输出端在PLg的I

16、/O地址 分配表如表2-1所小。表2-1 I/O地址分配表控制信号信号名称元件名称元件符号地址编码输入信号步进电机正转启动按钮常开按钮SB1I0.0步进电机反转启动按钮常开按钮SB2I0.1停止及清零按钮常开按钮SB3I0.2低速开关常开按钮SB4I0.4高速开关常开按钮SB5I0.5输出信号控制A相绕组Q0.0控制B相绕组Q0.1控制Ct目绕组Q 状态真值表采用移位指令进行步进控制。每右移1位，电机前进一个步距角，据此，可作出移 位寄存器输出状态及步进电机正反转绕组的状态真值表，从而得出三相绕组的控制逻辑关系式。正转时：A 相 Q0.0=M0.5+M0.4+M0.0B 相 Q

17、0.1=M0.4+M0.3+M0.2C 相 Q0.2=M0.2+M0.1+M0.0反转时：A 相 Q0.0=M0.5+M0.4+M0.0B 相 Q0.1=M0.2+M0.1+M0.0C 相 Q0.2=M0.4+M0.3+M0.2移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表如下表所示：表2-2移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表移位寄存器正转反转M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCABC0000000000001000001001000100001101010010000101010001000110110000100010100000011011102.3 梯形图程序SI

18、MATICS7-200系列是西门子公司的可编程控制器，这一系列产品可以满足多种多 样的自动化控制要求，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指 令，使得S7-200 PLCT以满足小规模的控制要求。止匕外，丰富的 CPU1型和电压等级使 其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的是适用性。根据程序模块及三相绕组的控制逻辑关系，可绘出梯形图控制程序。程序如下：网络 1 Nehwwk Tide旧4开关是低速开关,吐睫高速开关"口近这里起互镇作用，MCVW是字倍送指10.4MOV.WEN ENO50-INOUT-VW10Q网路2旧一幅高速开关工I0L4起互锁作用口I0.51

19、ENENDINOUT|1-VW100I0.4网第3旧造制电动机正转j M1.脸自领作用，匚2幅计数器，记1 MJ吹，1的演后自动得车口I0L2C20M1.U< )01I0.0IC. 2I0.2M1.0M1.1网络4|口.|£加且动机反料起3山1通MOV_B ENENOINOUT-MEO2tt100000-M1.0Ml 1toM3.0< )| I口.缰停止及潘号技钮,按下之后将MB时值复位为OL MOV日是字节传送指令.同格6|给移位寄存器相初值匚眸用是计数六次后重新而面网第7|停美洁拿W.2T卜网第8M1.0M2.QC20VW100-INTCJNPT10 msT33|控制

20、通电延时计时器，通电后.旧班始计时，计时结束后T3#目关触点闭合或断或网络9TW 时盍勇4后，移位窗存置开始工作，花池而向右移1位.SHR_BENOMBO-1 .INNOUT-MBOHtt 10控匍M 2. Q&掂目关凝瀛奇与闭合M2, 口()T33.O网络11|心第十时时间到局.计数题C升H股1次当评数嘘欹后匚用关用合，计数器复位.COcu 忖给12"丁升时时间到后，计氯器仁01十时当计数幡1皿欠后心呀关闭含.J卡嚣芬工M04M0.5网络13国 打内：，（：.心 象日卜，4 .”'J：小1， 米厚小MO.O网第15比.率蒯Gg,正正时同01L卜厂1一 k .1,WT

21、 相电.反房时MQ2, MQ3,晅依中一个修电而C相|得电. 2.4三相六拍步进电机控制语句表| PROGRAM RMMENT5网络 1 Newark Title| I而开罢是低速并关.谀高丽开埠 旧施这里起互锁作用；M 吧是字传送指季DUNID.4o OI LT.5,W10DLD工。一三EUAN10.4M0VU 5, VU10DHtt 3In函制电动机正转,田.旗自被作用，匚式堤l十数置，记1 口瞅11 口欹后自动停车.LD。舞AN一 鹤0 0 12-o 0 10 0 2 I M 11 c|g1控制电动机反转，M1.1起自函商LDID.1Qill.1&NID.0ANia.2ANC20

22、=Ml.1何络5|旧.蝠停止及潘零按钮,按下之后将MB的值复位为& MUY日是字节传送指令.LD AN AN MOVE10.2Ml 0 Ml. 1 口，MBQ网络G给移位书存器鼠初值，工昨用短计数六校后重新感初值.Ml. 0Ml. 1CD2.#100000, MEO停车、清专.LD工口，量=M3.0网第8遇制通电延时计叼器,通电后,正3开蛤计时，计时结束后TW3t目关触点闭吉或苗开.LDMl.00 .Ml.1ANmK.0ANC20AN10 .2TONT33.VU10016仃工于眠完毕以后，移位寄存器开始工作,把M日值向右稼1位口D R L!_)26|挂制M2际相关开关的断开与闭合LDT

23、33=M2.C网给11I T33计时时间到后，计戳器小计数1次j当冲数嵯端灾后匚府关闭含，计数器复位.LDT33LDca0ID 2CTUCO, &同德12I ：丸-工时旧金车，：十的第ZU-LI大，UL时虻1也同上竹共团小汁豹等黑胃.LLOC2 J m 口 O 3 2 0 2 TCIC正转或反转时M口口 MO 4, HU或中一个得电则母目得电0DLOO0 4 5 0 o o o O MMMQ网路14口0.1控制日相,正转时MOL工M0.瞋中一个得电则B相得电口反转时MOLD. MO.k MU.双中一个得电则济目 福电1DMO0MO1MO2Ml1LDMO.2MO.3MO4Ml .0OLD

24、=QO1LDLDOLD制“日，正转时MQQ MOK MQ2X中一个由电则。鸣电.反转时M02 M03 M0骐中一个得电则（洗MO.OMO. 1MO 2M1.0MO 2MO 3MO. 4Ml 1QO 22.5程序的运行及调试1、启动s7_200模拟软件，配置cpu型号为221,如下图所示:图2.2运行12、载入程序，启动软件，打开监控，如下图所示:5TJ3E图2.3运行2 .9303、高速正转运行正常，如下图所示:* 国 EftG rn(E.i 星景 口：| 电粘吧二产,MINI 4UTFr II ra图2.4运行34、低速正转运行正常，如下图所示:rauFT UraamPLat.。然用p小玲用

25、_ tf X|EMHMAKI Ut J 1 Jrwwwi tlimo*：m图2.5运行45、02(#数100拍后自动停车，如下图所示:IIplsj"IPL3线图如下图所示:正转启动开关SB1 反转启动开关/2 停止开关SB3 低速开关高速开关£药图2.6运行52.6 I/O接线图CPU2211M10. 0QCL 口10. 100.110. 2Q0.210.42H10.5心MnL+L1图2.7 I/O接线图功率放大器A相 日相/ C相在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求。由于 CPU寸程序的串行扫描 工作方式，会造成输入输出的滞后，而由扫描方式引起的滞后时间，最长可

26、达两个多扫 描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。因此，在实现控制要求的基 础上，应使程序尽量简捷、紧凑。另一方面，同一个控制对象，根据生产的工艺流程的 不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序 有较好的柔性。以移位指令为步进控制的主体进行程序设计，可较好地满足上述设计要 求。步进电机的控制程序设计，可有多种方法，比如，用顺控指令（SCRSCRTSCR皿程，程序没有复杂的逻辑关系，设计比较方便，但由于每一次步进切换都须经过对状态 的开始、转换和结束处理，会令程序的网络数大大增加；或可用许多的定时器实现各步距角的时间控制，以及变速时间间隔的设置等

27、，则程序冗长、松散；也可以用定时器 结合比较指令控制各步进时段，但会使各网络变得复杂，彼此之间的逻辑关系不甚清晰， 程序也会比较长。而以移位指令作为步进控制的主体编程，获得的程序简捷、清晰，且 程序模块间的逻辑关系十分明确。以移位指令作为步进控制主体编程的另一长处就是程序的柔性好，非常容易修改。 如果要求电机在运行过程中步进速度可任意加、减，而不是仅有三档速度，此时任何变 速实际上只是改变移位指令的执行速度，即改变移位脉冲的发生周期（VW100）,其他所有网络均可不变。设计总结机电传动与控制是一门侧重应用方向的学科。所以要多一点实践。不要看不起小的 项目，在其中你能总结出设计程序的逻辑思维方法，总结中不断进步。在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组同学 的题目也都不相同。我做的是三相六拍步进电动机控制程序的设计与调试。由于平时大 家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。但通过各方 面的查资料并学习。我们基本学会了 PLC设计的步聚和基本方法。分组工作的方式给了 我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。通过这次设计实践。我学会了 PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方