PLC控制步进电机课程设计论文

1、PLC控制步进电机课程设计论文第一章控制流程分析1.1步进电机控制过程描述近年来，数控机床和数控技术发展迅速，在灵活性、精确性、可靠性和舒适性方面的功能越来越完善，成为现代先进制造业的基础。是数控。数控技术广泛应用于机床行业，即依靠数字(计算机编程)来控制机床。它的主要特点是高效率和高精度。数控技术是指利用由数字、字符和符号组成的数字指令来实现对一个或多个机械装置的动作控制的技术。它通常控制位置、角度、速度等机械量。和与机械能流向有关的开关量。数控的出现依赖于数据载体和二进制数据运算的出现。1908年，穿孔金属片可互换数据载体问世；19世纪末，发明了以纸张为数据载体和辅助功能的控制系统。193

2、8年，香农在麻省理工学院进行了快速数据计算和传输，奠定了包括计算机数字控制系统在内的现代计算机的基础。数控技术是与机床控制紧密结合而发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上划时代的事件，推动了自动化的发展。现在，数控技术也叫计算机数控技术。目前是利用计算机实现数字程序控制的技术。该技术使用计算机根据预先存储的控制程序来控制设备。由于用计算机代替了原来由硬件逻辑电路组成的数控装置，输入数据的存储、处理、运算、逻辑判断等各种控制功能都可以用计算机软件来实现。步进电机是一种开环控制元件步进电机，将电脉冲信号转换成角位移或线位移。在无过载情况下，电机的转速和停止位置只取决于脉冲

3、信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它驱动步进电机按设定的方向旋转一个固定的角度，这个角度称为“步距角”。它以固定的角度一步一步地旋转。可以通过控制脉冲的个数来控制角位移，从而达到精确定位的目的。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机的速度和加速度，从而达到调速的目的。通常，电机的转子是永久磁铁。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生矢量磁场。磁场会带动转子旋转一个角度，使转子的一对磁场方向与定子一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度时。转子也随着磁场旋转一个角度。每输入一个电脉冲，电机就旋转一个角度再走一步。其输出角位移与输入脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。改变

4、绕组通电顺序，电机反转。因此，可以通过控制脉冲的数量和频率以及电机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的旋转。步进电机驱动器，将控制系统发出的脉冲信号转换成步进电机的角位移，或者:控制系统每发出一个脉冲信号，步进电机通过驱动器旋转一个步距角。也就是说，步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。因此，通过控制步进脉冲信号的频率，可以精确地调节电机速度。通过控制步进脉冲的数量，可以精确定位电机。步进电机驱动器有多种，应根据实际功率要求合理选择驱动器。步进电机需要提供具有一定驱动能力的脉冲信号才能正常工作，脉冲信号由单片机输出的激励信号经过脉冲分配产生。脉冲分配可以通过硬件模拟分配电路实现，也可以通过软件实

5、现。一个完整的驱动电路不仅需要激励信号，还需要足够的功率。在一般的电路驱动中，CPU产生的脉冲信号需要进行功率放大，然后连接到步进电机的输入端。随着大规模集成电路技术的发展，逐渐出现了很多专门用于步进电机控制的脉冲分配芯片，它们可以通过功率放大驱动电路实现对步进电机的驱动。1.2 PLC控制步进电机控制过程分析可编程控制器(PLC)是在继电器控制和计算机控制的基础上发展起来的，逐渐发展成为以微处理器为核心，集自动化技术、计算机技术和通信技术于一体的新型工业自动控制装置。它具有可靠性高、环境适应性好、编程简单、使用方便、体积小、重量轻、功耗低等优点，因此迅速普及，成为现代工业自动化的支柱设备之一

6、。PLC的所有I/O接口电路均采用光电隔离，将工业现场的外部电路与PLC的电路进行电气隔离。每个输入端使用RC滤波器，其滤波时间常数一般为10 20 ms所有模块均采用屏蔽措施，防止辐射干扰；采用性能优良的开关电源:具有良好的自诊断功能。一旦电源或其他软硬件出现异常，CPU立即采取有效措施，防止故障扩大；简化编程语言，保护和恢复信息，设置闹钟WDT；程序和动态数据的电池备份。上述措施使PLC具有较高的可靠性。采用圆周扫描方式也提高了抗干扰能力。PLC在工业自动化领域发挥着重要的作用。在国外已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。实践证明，80%以上的工业控

7、制可以由PLC来完成。PLC可用于逻辑顺序控制、过程控制、运动和位置控制、数据处理、通信联网等。利用PLC可以实现对步进电机的控制。它能使步进电机抗干扰能力强，可靠性高。如今，软件随着电子设备等相关技术取得了长足的进步。虽然软件的发展速度没有硬件快，但已经可以满足目前的产业需求。传统的步进电机控制通常由硬件电路组成。随着PLC的普及，硬件和软件相结合的方法被广泛应用于控制。这种控制方法具有控制精度高、降低成本、降低控制难度、简化控制电路等优点。未来，步进电机的总体发展趋势是朝着低功耗、高频率精度、多功能、高度自动化和智能化的方向发展。PLC作为一种简化的计算机，具有功能齐全、灵活、通用性强、控

8、制系统简单易懂、价格低廉、体积小、硬件维护方便、价格低廉等优点。它在世界各地得到了广泛的应用，给生产和生活带来了极大的好处和方便。因此，通过对利用PLC控制步进电机的研究，不仅可以实现精确的定位控制，而且降低了控制成本，也有利于维护。在过去，步进电机需要由驱动器控制。随着技术的不断发展和完善，PLC具备了通过自身输出脉冲直接步进电机的功能，有利于步进电机的精确控制。PLC步进电机的控制主要包括三个方面，即步进电机的速度控制、方向控制和步数控制。改变步进电机定子绕组的通电顺序会改变步进电机的旋转方向，改变脉冲频率会改变步进电机的转速和脉冲数。步进电机是将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行机构

9、。步进电机的输出位移与输入脉冲数成正比，其转速与单位时间内的输入脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与分配给步进电机各相绕组的脉冲相序有关。因此，只需要控制命令脉冲的数量和频率以及电机绕组通电的相序。可以控制步进电机的输出位移、速度和方向。步进电机具有良好的控制性能，它的启动、停止、反转等任何运行方式的改变都是在几个脉冲内完成的，并且可以获得很高的控制精度，因此得到了广泛的应用。步进电机控制最大的特点是开环控制，不需要反馈信号。因为步进电机的运动不会产生旋转量的误差累积。系统PLC选用S7-200PLC。控制系统如图1-1所示。图1-1 PLC控制的步进电机系统框图第二章控制系统总体方案设计2.

10、1系统硬件组成可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行状态和停止状态。在运行状态下，可编程控制器通过执行反应控制来实现用户的控制要求。为了使可编程控制器的输出响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是重复执行，直到可编程控制器停止或切换到停止工作状态。这里有一个简单的例子来进一步说明可编程控制器的扫描过程。图2-1所示的PLC输入输出接线图显示，启动按钮SB1和停止按钮SB2的常开触点分别连接到编号为X000和X001的可编程控制器的输入端，接触器KM的线圈连接到编号为YO00的可编程控制器的输出端。图(b)显示了对应于这三个输入/输出变量的I/O映射寄存器。图(c)是可编程控制

11、器的梯形图，其功能与图2.1所示的继电器电路相同。但需要注意的是，梯形图是一种程序，可以图形化编程和控制。X000等。图中为梯形图编程元件，XO00和X001为输入继电器，Y000为输出继电器。编程元件X000对应于连接到输入端子X000和输入图像寄存器X000的SB1的常开触点，编程元件Y000对应于输出图像寄存器Y000和连接到输出端子Y000的可编程控制器的输出电路。图2-1 PLC外部接线图和梯形图PLC采用典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM和输入/输出接口电路。PLC被视为一个系统，由输入变量-PLC-输出变量组成。各种外部开关信号、模拟信号、传感器检测信号作为PLC输

12、入变量。它们通过外部端子输入到PLC的寄存器中，然后通过PLC进行逻辑运算或其他运算和处理后发送到输出端子。它们是PLC输出变量，这些输出变量控制外围设备。PLC系统的硬件结构如图2-2所示。图2-2 PLC系统硬件图在输出处理阶段，CPU将每个输出图像寄存器中的二进制数传输到输出模块并锁存。如果二进制数“1”存储在输出图像寄存器Y000中，外部KM线圈将通电，否则将断电。X001、X001和Y000的高波形电平表示按钮被按下或KM线圈通电。当TT1时，读入输入图像寄存器x001和x001的二进制数都是“0”。此时，“0”也存储在输出图像寄存器Y000中。在程序执行阶段，经过上述逻辑运算过程后

13、，运算结果仍然是Y000=0，因此KM线圈断电。在T=T1时，按下启动按钮SB1，X0变为“1”，逻辑运算后Y000变为“1”。在输出处理阶段，Y000对应的输出图像寄存器中的“1”被送到输出模块，可编程控制器Y000对应的物理继电器的常开触点被接通，从而使接触器KM的线圈通电。梯形图以指令的形式存储在可编程控制器的用户程序存储器中。梯形图对应以下四条指令“；”接下来是对指令的注释。LD X000连接左侧母线上X000的常开触点。或者Y000Y000的常开触点与X00O的常开触点并联。ANI X001X001的常闭触点与并联电路串联。出Y000Y000线圈。在输入处理阶段，CPU将SB1和SB

14、2的常开触点的状态读入相应的输入映射寄存器。当外部触点连接时，二进制数“1”存储在寄存器中，否则，存储“0”。当执行第一条指令时，二进制数从输入图像寄存器X000中取出并存储在运算结果寄存器中。执行第二条指令时，从输出映射寄存器Y000中取出二进制数，与运算结果寄存器中的二进制数进行或运算(接点并联对应或结算)，然后存入运算结果寄存器。执行第三条指令时，取出输入图像寄存器X001中的二进制数，由于是常闭触点，将其与前一次运算结果(电路串联对应and运算)取反，然后存入运算结果寄存器。在输出处理阶段，CPU将每个输出图像寄存器中的二进制数传输到输出模块并锁存。如果二进制数“1”存储在输出图像寄存

15、器Y000中，外部KM线圈将通电，否则将断电。X001、X001和Y000的高波形电平表示按钮被按下或KM线圈通电。当TT1时，读入输入图像寄存器x001和x001的二进制数都是“0”。此时，“0”也存储在输出图像寄存器Y000中。在程序执行阶段，经过上述逻辑运算过程后，运算结果仍然是Y000=0，因此KM线圈断电。在T=T1时，按下启动按钮SB1，X0变为“1”，逻辑运算后Y000变为“1”。在输出处理阶段，Y000对应的输出图像寄存器中的“1”被送到输出模块，可编程控制器Y000对应的物理继电器的常开触点被接通，从而使接触器KM的线圈通电。2.2控制方法分析工作原理:步进电机是一种开环控制

16、元件，将给定的电脉冲信号转换成角位移或线位移。给定一个电脉冲信号，步进电机的转子会转过相应的角度，这个角度称为步进电机的步距角。目前常用的步进电机步距角多为1.8度(俗称一步)或0.9度(俗称半步)。对于步距角为0.9度的步进电机，当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机转动0.9度；给两个脉冲信号，步进电机就转1.8度。以此类推，如果连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运行。由于电脉冲信号与步进电机旋转角度呈线性关系，步进电机被广泛应用于速度控制和位置控制，步进电机的位置控制是由给定数量的脉冲来控制的。给定一个脉冲，转动一个步距角，当停止位置确定后，它也就决定了步进电机所需的脉冲数。其工作原

17、理如下:让A相先通电，转子齿与定子A和A 对齐。然后接通B相，同时A相继续通电。此时，定子B and B极对转子齿2和4产生磁拉力，使转子顺时针旋转，但A和A极继续托住齿1和3，所以转子会旋转，直到两个磁拉力平衡。也就是说，转子顺时针旋转了15。然后A相断电，B相继续上电。此时，转子齿2和4与定子B and B的磁极对齐，转子从图(B)所示的位置转动了15度。这样，如果按照AA，B B，CCC，AA的顺序依次接通电源，转子就会一步一步顺时针旋转，桨距角为15。电流切换六次，磁场旋转一次，转子前进一个桨距角。如果按照AA，CCC，B B，AA的顺序通电，电机转子将逆时针旋转。图2-3步进电机通电

18、模式示意图控制方案:(1)三相步进电机有A、B、c三个绕组。正功率转换的顺序是:AABBBCCCA。开机顺序是:ACACBCBAB。(2) 7个开关用于控制其操作。#1开关控制其运行(启动)。#2开关控制其运行(停止)。#3开关控制其低速运行(转一个步角需要0.5 s)。#4开关控制其中速运行(转一个步距角需要0.1 s)。#5开关控制其高速运行(转一个步角需要0.04s)。开关#6控制其转向(开表示正转)。开关#7控制其转向(关闭为反向)。2.3输入/输出分配步进电机工作在最常用的三相六拍通电模式，要求步进电机具有快速控制、慢速控制、正反向控制和单步控制四种控制模式。根据需要，可选用C28P

19、-CDT-D PLC进行控制，并设计步进电机PLC控制系统的I/O接线图。图2-4步进电机PLC控制系统I/O接线图步进电机PLC控制系统的梯形图设计图2-5步进电机PLC控制系统梯形图2.4系统图设计PLC选型的基本原则是:在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便、性价比最好的型号。通常在工艺固定，环境条件较好的情况下，推荐选择PLC具有整体结构。其他情况下，最好选择PLC具有模块化结构；在以开关控制为主，少量模拟控制的工程项目中，一般不需要考虑控制速度。因此，具有A/D转换、D/A转换、加减运算和数据传输功能的低档计算机即可满足要求。在控制复杂、对控制功能要求高的工程项目中(如P

20、ID运算、闭环控制、通信联网等。)、中档或高档机(其中高档机主要用于大型过程控制、全PLC集散控制系统和全厂自动化等。)可根据控制规模和复杂程度进行选择。本次设计选择三菱系列的FX1N系列。图2-6控制系统示意图图2.6是控制系统的原理图。在图2-6中，Y7输出的脉冲用作步进电机的时钟脉冲，拍脉冲由驱动器产生以控制步进电机。同时Y7接PLC的输入接点X0，通过X0送到PLC部HSC。HSC统计Y7的脉冲数，达到预定值时中断，使Y7的脉冲频率切换到下一个参数，从而实现更精确的位置控制。控制系统的操作流程:第一句话是清零DT9044和DT9045，即准备计数HSC第二句到第五句是建立参数表，参数存

21、放在以DT20为地址的数据寄存器区；最后一句是启动SPD0指令，执行时从DT20中取出设定的参数，完成相应的控制要求。从第一句可以看出，第一个参数是K0，是脉冲模式的特征值，从而定义了输出模式。第二个参数是K70，对应的脉冲频率为500Hz，所以Y7发射的脉冲频率为500Hz。第三个参数是K1000，即在这个频率发送1000个脉冲后，会切换到下一个频率。而下一个频率，也就是最后一个参数是K0，所以当执行这一步时，脉冲停止，电机停止运转。所以在运行这个程序时，步进电机能以规定的速度和预定的转数驱动被控对象，到达预定位置后会自动停止。第三章控制系统梯形图程序设计3.1步进电机控制流程图PLC控制步

22、进电机的程序流程图如图3-1所示。图3-1步进电机控制流程图3.2控制程序时序图的设计PLC控制步进电机的顺序图如图3-2所示。图3-2控制电机时序图3.3控制程序设计思路设计程序时，首先要明确对象的具体控制要求。由于CPU对程序的串行扫描方式，输入/输出会有延迟，扫描方式造成的延迟时间最长可达两个多扫描周期。程序越长，这种延迟就越明显，系统精度就越低。因此，在实现控制要求的基础上，程序应尽可能简单紧凑。另一方面，对于同一控制对象，控制要求或控制顺序会根据生产过程的不同而变化。这时候就要求程序修改方便简单，也就是程序要灵活。用SIMATIC移位指令作为步进控制的主体来设计程序，可以较好地满足上

23、述设计要求。图3-3步进电机梯形图控制程序第四章监控系统设计4.1 PLC与上位监控软件通信上位机接口软件的编程，选择查询方式接收，完成一次发送的步骤如下:执行一条输入指令，读取FIFO的当前状态，判断外设处于“就绪”还是“未就绪”状态，执行相应的步骤。向上位机微处理器发送中断请求。PLC微处理器在响应中断请求后接收数据。通过使用接收中断、发送中断、发送命令(XMT)和接收命令(RCV)，用户程序可以在自由端口模式下控制通信端口，在这种模式下，通信协议完全由用户程序控制。当使用通信端口0与计算机通信时，通过SMB30允许自由端口模式，只有当PLC处于运行模式时才允许自由端口模式。当PLC处于停

24、止模式时，自由端口通信停止，通信端口转换为正常PPI协议操作。由于通信仅使用A、B两线制进行数据传输，不能使用硬件信号作为检测手段，所以当上位机与PLC的通信出现错误时，将无法判断错误是否由硬件产生，或者当上位机与PLC的工作速率不同时会产生冲突。这些通信错误会导致PLC控制程序无法正常工作，所以必须使用软件来保证通信的可靠性。4.2上位监控系统的组态设计随着工业自动化水平的快速提高和计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高。各种控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件无法满足用户的各种需求。成功开发的工控软件由于各个控制项目的差异，复用率低，导致其价格

25、非常昂贵。在修改工控软件的源程序时，如果搬走了，就必须和其他人或者新手一起修改源程序，所以难度相当大。由于它可以解决传统工业控制软件存在的各种问题，用户可以根据自己任意配置的控制对象和控制目的来完成最终的自动控制项目。图4-1上位监控系统配置及上位机接线图配置是模块化的任意组合。通用组态软件的主要特点:(1)连续性和扩展性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场(包括硬件设备或系统结构)或用户需求发生变化时，不需要做很多修改，就可以方便地更新和升级；(2)封装(易学易用)。所有通用组态软件可以完成的功能都以方便用户的方式打包。对于用户来说，不需要掌握太多的编程语言技术(甚至编程技术)，就可以很好

26、的完成一个复杂项目所需的所有功能；(3)普遍性。每个用户通过使用底层设备(PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等)的I/O驱动程序，可以完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线共存、多媒体功能和网络功能的项目。)由通用组态软件提供，以及开放的数据库和图片制作工具，不受行业限制。4.3取得的效果组态软件大多支持各种主流工业控制设备和标准通信协议，通常应提供分布式数据管理和网络功能。与HMI(人机界面)的原始概念相对应，组态软件也是一种使用户能够快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。在组态软件出现之前，工业控制领域的用户手工或委托第三方编写HMI应用程序，开发时间长、效率低、可靠

27、性差；或者买一个专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界交互。升级和添加功能受到严格限制。组态软件的出现使用户能够利用组态软件的功能构建一套最适合自己的应用系统。随着其快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信和网络、开放的数据接口、对I/O设备的广泛支持已成为其主要特点，监控组态软件将不断被赋予新的功能。第五章系统调试及结果分析5.1系统调试和解决问题实验中调试不成功的原因可能有很多，包括硬件和软件。硬件方面主要是连接错误或者其他硬件问题。比如硬件电路的不同连接也可能导致实验不成功。还有软件的问题，比如因为软件版本的差异，有些语句无法实现或者无法达到预

28、期的效果。这就需要我们仔细分析实验中遇到的问题。5.2结果分析分析实验过程中获得的数据、波形、现象或问题的正确性和必然性，分析不准确的原因和处理方法。现象:启动步进电机，按下模块上的正转按钮，步进电机正转180度，步进电机转180度时停止。此外，当步进电机正向旋转90度后按下S2，步进电机将立即反向旋转90度。它也可以一直工作到PLC设计的步数，然后停止。课程设计经验通过实验，我们对理论和实践的区别有了感性认识，加深了我们对本课程设计的理解。通过实验来验证设计，改进设计中的不足，我们在实验中会遇到很多问题和失败，这不仅锻炼了我们的动手能力，也提高了我们的思维和解决问题的能力。调试过程就是观察、

29、分析、调试的过程。在实验过程中，要对设计的实验步骤进行观察和记录，然后与原设计进行对比分析，判断每一步是否正确，从而推动整个实验进程。实验调试过程本质上是一个不断发现问题，找出原因，解决问题的过程。要解决问题，关键是要找出问题出在哪里，要找出产生误差的原因，只有反复分析比较实验操作过程中记录的参数，才能发现问题。因此，在实验室中记录和分析现场参数是非常重要的。这不仅是培养我们良好实验习惯的机会，也是我们学习综合运用理论知识、掌握实验技能、提高动手能力的机会。因此，必须通过实验进行测试和调整，以便发现和纠正设计和安装中的不足，最终达到预定的设计要求。参考1邓。机电传动与控制M。华中科技大学，20

30、07。2廖常初。FX系列PLC编程与应用M。机械工业，2009。3朝清。单片机接口技术M.航空航天大学，2005。4宋博生。PLC编程理论，算法与技巧M。机械工业，2005。5吴作明。PLC开发应用实例详解M。机械工业，2007。6钱平。交流DC速度控制系统M。机械工业，2002。附录起始位01Hminpd EQU 9MaxSpd EQU 75速度数据23HORG 0000HLJMP DJSDORG 0010H跳转到MAIN主程序ORG 0030H主要:MOV速度m_NEXT1:MOV A，速度MOV B区，第10名除法指令CMP A，#0JE显示器0CMP A，#1JE显示器1CMP A，#2JE显示器2CMP A，#3JE显示器3CMP A，#4JE显示器4CMP A，#5JE显示器5CMP A，#6JE显示器6CMP A，#7JE显示器7CMP A，#8JE显示器8CMP A，#9JE disp 9显示0:MOV P0，#0FCH下一个是JMP显示1:MOV P0，#060H下一个是JMP显示器2:MOV P0，#0DAH下一个是JMP显示器3