《基于PLC的步进电机控制系统设计》9800字（论文）

图3.1所示，整体上分为3个部分：1.西门子S7-200主控:负责输出转速信号和方向电平。2.PMM8713脉冲分配模块:负责对PLC发出的脉冲进行整形。3.驱动模块：主要负责接受控制脉冲信号，将数信号转为模拟信号进行放大。图3.1系统整体结构图控制系统的工作原理本次毕业设计的内容主要是对步进电机的PLC控制进行研究。采用西门子S7-200作为主控制器，并且能够达到了软件与硬件相结合控制的目的。PLC的脉冲分配可分为软件法和硬件法。软件控制法是采用软件编程取代脉冲分配器来达到控制步进电机的目的。而硬件控制法是用专用脉冲分配芯片来控制脉冲的。用PLC控制步进电机，需实现步进电机的速度控制，位置控制和加减速控制。电路组成和工作原理电路主要由西门子S7-200PLC、PMM8713环形分配、驱动电路、步进电动机、光电编码器构成。主处理器PLC通过I/O端口与PMM8713相连，将运动控制命令发送给PMM8713，并通过编程对步进电机的速度、位置、加减速进行设定，由PMM8713对功率放大电路发出信号穿给步进电机，增量编码器提供一个反馈回路给PLC，从而构成一个控制系统。运动控制的实现1.速度控制步进电机的速度控制通过PLC发出的步进脉冲频率来实现，从图3.2可以看出，受到步进电机输入脉冲的周期改变的影响，然而脉冲变化的快慢也最终使电机的转速也跟着变化。因而要想改变步进电机的转动速度就只需要改变输入电机的脉冲周期就可以了。由步进电机的转速n=(其中转子齿数=50，我这边是42BYG4503混合步进电机;运行拍数m=8)及转速的控制要求最高转速和最低转速，这些都对应着脉冲频率的变化，从何实现速度的控制。图3.2脉冲分配波形图2.加减速控制步进电机的正转或是反转时，都是由加速、恒速和减速这三个过程组成。步进电机的启动需要有加速过程;步进电机的停止需要有减速过程。原因就在于假如步进电机接收到的信号变化太快，就会出现堵转或是失步现象，而出现这个现象就是因为信号变化太快产生的惯性的作用而使步进电机的动作跟不上信号的变化频率，从而出现位置精度降低的影响。为了达到加速或是减速控制的要求，并且任何的加减速不过程都是会满足一定的曲线关系的，直线、曲线、指数函数等等，如图3.3是两种比较常见的加减速运行曲线。之所以需要选定某种加减速曲线是因为当选择了最佳的曲线后，可以使步进电机的加减速过程不至于出现堵转、失步、过冲等不良现象，就可以充分利用现有的转矩，能够快速响应，缩短加减速时间。比较简单的，且容易编写程序的加减速曲线就是如图3.3（a）所示的匀加速或是匀减速曲线。由于在采用直线加速时，加速度不变，就要求转矩也是非线性关系。这就会导致转速的提高使转矩降低。因此，按照这种直线进行加速会因为转矩的不足而出现不良现象。采用如REF_Ref68282845\h图3.3（b）所示的按照实际加减速工程拟合的曲线可以对步进电机实现最佳的控制，原因就在用于电动机的电磁转矩与转速是接近指数形式的关系。图3.3加减速运行曲线3.位置控制步进电机从一个位置精确运行到另一个位置的过程就是步进电机的位置控制。步进电机每前进一步都是因为接收到了一个脉冲信号，原因在于步进电机的角度位移是与其所接受的脉冲个数成正比的。这样步进电机的角位移以及脉冲个数之间的正推导或是反推导就很简单了，并且还实现步进电机的步数控制。

控制系统的硬件设计PLC的选型西门子PLC型号多样，本文中应用的西门子S7-200系列PLC可以满足多种多样的自动化控制要求。适用于单机控制或小型系统控制，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格及强大的指令系统，S7-200可以几乎完美的满足小规模的控制要求。由于步进电机控制系统应用的输入输出点数较少，故直接选用CPU224DC/DC/DC系列PLC，订货号为:6ES7214-2AD23-0XB8，该PLC自身集成了14个开关量输入点和10个开关量输出点，CPU224DC/DC/DC系列PLC带有两路高速脉冲输出通道,能够直接控制步进电机驱动器,进而实现步进电机控制的要求。选型入下REF_Ref71302001\h表4.1所示:表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s11电气元件选型清单序号名称型号数量品牌1CPU224DC/DC/DC6ES7214-2AD23-0XB81西门子2微型断路器NXB-632PC102正泰3开关电源S-150-241台湾明伟4按钮NP2-BA312正泰5旋钮（二挡）NP2-BD211正泰I/O地址分配表4.2I/O分配表符号输入地址符号输出地址自动启动按钮I0.0步进电机脉冲输出Q0.0自动停止按钮I0.1Q0.1方向选择I0.2步进电机方向输出Q0.2输入启动停止单步连续三拍六拍正转反转I0.0I0.1I0.6I0.7I0.4I0.5I0.2I0.3输出A1B1C1A2B2C2+24V（主机）Q0.2Q0.3Q0.4I/O接线图根据I/O分配表绘制I/O端子接线图4.1图4.1I/0端子接线图S7-200电气接线图该电气接线图进线电源220V，通过断路器接电源开关，PLC和步进驱动器供电都是DC24V。PLC的脉冲和方向接步进电机驱动器的脉冲和方向口，步进驱动和电机是A+A-B+B-连接，输入的开关指令直接接PLC的输入。如图4.2所示。图4.2电气接线图驱动电路设计图4.3驱动电路图表4.342BYG4503混合式步进电机的相关参数型号42BYG4503步距角0.9°/1.8°相数4相驱动电压24V相电流1.5A保持转矩0.48N.M空载起动频率1200步/秒空载运行频率≥20千步/秒转动惯量0.04Kg.cm²相电感2.3mH相电阻1.9Ω电阻和电容的取值1.滤波器件R1和C1:取R1=10KΩ，C1=0.001μF。2.取样电阻R2:大了影响电机的动态特性;小了采样精度不高且损耗过大一般取0.4Ω，故其上面的电压为1V。3.续流电阻R4:太大，电流变化率小，导致放电慢，太小容易发热，故取R4=10KΩ。4.并接电容C2:其目的是为了改善注入电流脉冲前沿，当大功率管导通瞬间，就有一个冲击电流进入电动机绕组,因此将明显地提高电动机的高频特性,节省能量,取C2=0.47μF。光电耦合器的设计光电耦合器是把像发光二极管之类的发光器件和光敏三极管之类的光敏器件组装在一起的，其实现耦合的方式是通过光线，从而构成了从光到电，再从电到光的转换。光电耦合器有很多种，如图4.4是常用的一种，在本系统中选用东芝公司的TLP521-2(如图4.5所示)光电耦合器。图4.4光电耦合器简图图4.5TLP521-2实物图环形分配器的选型在步进电动机的PLC控制系统中，由PLC产生控制信号，控制功率驱动电路按照一定的顺序开通或关断。PLC完成控制脉冲分配、控制步进电动机的转向和控制步进电动机的转速等功能。软件法和硬件法是实现脉冲分配的两种常用方法，两种方法的简介如下:1.通过软件实现脉冲分配其过程如下:在内存ROM去开辟一个存储空间来存放不同通电方式下的几种输出状态(控制字)，系统软件按照电机正、反转的要求，按正、反顺序依次将这几个控制字的内容取出来并送至PLC的输出口，步进电机每转一个步距角(即实现一拍)就是因为接收了一个控制字。2.通过硬件实现脉冲分配硬件法实际上就是使用环形分配器来进行脉冲分配，PLC只需要将步进脉冲和方向的电平信号发送给脉冲分配器就好了。而现在市场的脉冲分配器也有很多种，我这里使用8713集成电路芯片。对于8713芯片而言，单时钟输入即加方向信号或是双时钟输入即正转或是反转时钟都是可以选择的;并且8713芯片可以控制正反转，其还具有初始化复位和输入脉冲监视等许多实用功能；为了提高抗干扰能力，其内部输入端都设有斯密特整形电路；使用大小为4V~18V的直流电源，相输出驱动能力为±20mA。8713还采用DIP16封装。本系统通过硬件法实现脉冲分配且使用单时钟输入脉冲，8713的引脚为步进脉冲输入端，4引脚为转向电平控制端，这两个引脚的输入均由PLC提供和控制。5，6脚对步进电动机进行方式控制，通过9脚控制复位,如图4.6是PMM8713的示意图。图4.6PMM8713引脚图由于采用了脉冲分配器帮PLC完成了脉冲整形的工作，使得PLC只需完成速度和转向电平控制即可。因此，CPU的负担减轻许多。控制系统的软件设计步进电机模拟控制流程分析控制要求:当按钮开关拨到单步时，必须每按一次起动，电机才能旋转一个角度;当按钮开关拨到连续时，按一次起动，电机旋转，直到按停止;当按钮开关拨到三拍时，旋转的角度为3度;当按钮开关拨到六拍时，旋转角度为1.5度;当按钮开关拨到正转时，旋转按顺时针旋转;当按钮开关拨到反转时，旋转按逆时针旋转;当单步要转到连续或连续转到单步，可以通过停止也可以直接转换;(通过编程)当三拍要转到六拍或六拍要转到三拍，可以通过停止也可以直接转换;(通过编程)当正转要转到反转或反转要转到正转，可以通过停止也可以直接转换(通过编程)。如图5.1步进电机控制流程图所示。图5.1步进电机控制流程图而本课题使用PLC为西门子S7-200CN系列PLC可以直接输出脉冲驱动42BYG4503混合型电机运行，指令可通过程序代替，而“变频信号源”、“脉冲分配器”、“脉冲放大器”则全部由PLC替代，进而取代了具有以上四项功能的驱动器，使得控制十分简单，所以本课题的控制框图可简单用图5.2表示。图5.2步进电机控制系统框图程序梯形图设计

仿真仿真界面这幅图片表示，在单步骤选择之后选择三拍，当选择单拍再选择三拍，这时候按启动键以后步进电机运行，它实现步进电机的单三拍运行，也就是ABC的单步运行。如图6.1单三拍运行图。图6.1单三拍运行图第二幅图表示，步进电机在单步档翻拍正向选择的第二步。图6.2单步档翻拍图这副图表示，步进电机在单步档和六拍选择当中的状态运行模式下，按下启动按钮以后，它实现单向六拍运行模式。图6.3单向六拍图显示步进电机的单项六拍当中的第二拍。图6.4单项六拍第二拍图步进电机六拍选择当中的第三拍。图6.5单项六拍第三拍图步进电机单向六拍当中的第四拍。图6.6单项六拍第四拍图步进电机单向六拍当中的第五拍。图6.7单项六拍第五拍图组态整体截图图6.8组态整体截图仿真程序if(\\本站点\启停==1){//\\本站点\单步档\\本站点\三拍选择\\本站点\三拍正转选择if(\\本站点\单步档==0){if(\\本站点\三拍选择==1){if(\\本站点\三拍正转选择==1){\\本站点\三拍时间=\\本站点\三拍时间+1;if(\\本站点\三拍时间>=0&&\\本站点\三拍时间<5){\\本站点\A=1;\\本站点\B=0;\\本站点\C=0;}if(\\本站点\三拍时间>=5&&\\本站点\三拍时间<10){\\本站点\A=0;\\本站点\B=1;\\本站点\C=0;}if(\\本站点\三拍时间>=10&&\\本站点\三拍时间<15){\\本站点\A=0;\\本站点\B=0;\\本站点\C=1;}if(\\本站点\三拍时间>=15&&\\本站点\三拍时间<20){\\本站点\A=0;\\本站点\B=0;\\本站点\C=0;\\本站点\三拍正转选择=0;\\本站点\三拍选择=0;\\本站点\单步档=0;\\本站点\三拍时间=0;}}}}//\\本站点\单步档\\本站点\三拍选择\\本站点\三拍反转选择if(\\本站点\单步档==0){if(\\本站点\三拍选择==1){if(\\本站点\三拍反转选择==1){\\本站点\三拍时间=\\本站点\三拍时间+1;if(\\本站点\三拍时间>=0&&\\本站点\三拍时间<5){\\本站点\A=0;\\本站点\B=0;\\本站点\C=1;}if(\\本站点\三拍时间>=5&&\\本站点\三拍时间<10){\\本站点\A=0;\\本站点\B=1;\\本站点\C=0;}if(\\本站点\三拍时间>=10&&\\本站点\三拍时间<15){\\本站点\A=1;\\本站点\B=0;\\本站点\C=0;}if(\\本站点\三拍时间>=15&&\\本站点\三拍时间<20){\\本站点\A=0;\\本站点\B=0;\\本站点\C=0;\\本站点\三拍正转选择=0;\\本站点\三拍选择=0;\\本站点\单步档=0;\\本站点\三拍时间=0;}}}}//if(\\本站点\单步档==0){if(\\本站点\六拍选择==1){if(\\本站点\六结论本次毕业设计通过对步进电机结构、工作原理以及控制系统和驱动的了解，通过查阅相关资料，设计了PLC控制步进电机的控制方法。通过对PLC控制三相步进电机运行控制的方法研究，通过实验得到验证实现，当在控制三相步进电机时，可以选择手动开关和自动开关，实现对步进电机在单步和连续工作方式的情况下的正反转运行切换，同时也可以实现三拍和六拍的步进时序。在设计过程中，遇到了很多阻力，知识的匮乏，诸如程序的编写，包括循环移位指令的使用、调速指令的采用等等，自己在查阅书籍资料同时也向老师同学请教，这些问题最终才得以解决。通过PLC发出脉冲来控制步进电机运行的方式，在工业生产等很多领域已经得到广泛的采用，比如磁头定位系统，数控机床，线切割机等领域。利用步进电机较准确的定位和能输出一定大小的力矩的特点，已成为位置定位控制系统中首选的控制手段。随着电力电子、DSP及计算机等多种技术的发展，步进电机控制系统中的细分功能、节能功能的驱动器技术会得到更加广泛的应用，使得PLC控制步进电机这一控制方式不断完善和发展。此次毕业设计的课题为基于PLC的步进电动机控制系统设计，对于一名电气工程及其自动化专业的学生来说，这次毕业设计的题目还是比较适合我的。此课题可以对我之前所学各门课程的知识进行一个总结，以提高我的综合素质，对于我日后的工作将会有很大的帮助。

参考文献[1]刘志永.浅析步进电机的PLC控制技术与发展趋势[J].科技资讯,2006(27).[2]王丽.二相混合式步进电动机微步驱动技术的研究[D].西安:西安理工大学硕士学位论文,2005,1.[3]丁伟雄,杨定安，宋晓光.步进电机的控制原理及其单片机控制实现[J].煤矿机械,2005,6:127-129.[4]刘兴辉,毕国玲.步进电机的单片机控制系统研制[J].辽宁大学学报,2007,3