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1、西门子PLC课程设计题目：五相十拍步进电动机控制设计与调试 姓名： 班级： 学号： 报告格式（20分）设计说明（20分）设计图纸（20分）科技文献分析（20分）其它（10分）平时10分总评（100分） 目录摘要2第一章 引言3第二章 系统总体方案设计4 2.1程序设计的基本思路 42.2五相步进电动机的控制要求42.3方案原理分析4 2.3.1 功能要求 42.3.2 性能要求 5第三章 PLC控制系统设计 6 31输入输出编址63.2选择PLC类型63.3 PLC外部接线图73.4 控制流程73.5 梯形图程序设计83.5.1 步进控制设计93.5.2 梯形图设计113.6 语句表173.7
2、主电路图183.7电机正反转控制图183.9元件清单193.10元件布置图 19总结 20参考文献21附录一22附录二23摘要步进电机是一种控制精度极高的电机, 在工业上有着广泛的应用。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。基于PLC控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，参数设计置灵活等优点。矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。本文主要是介绍采用可编程控制器(PLC) 对五相十拍步进电机进行控制的设计原理及方法进行分析。本文详细的介绍了用
3、PLC控制步进电机系统的原理，及硬件和软件设计方法。其内容主要包括I/O地址分配、PIC外部接线图、控制流程图、主电路图、梯形图、元件清单以及语句表。本文设计过程中使用了十六位移位寄存器，大大简化了程序的设计，使程序更间凑，方便了设计。在实际应用中表明此设计是合理有效的。关键词: PLC；梯形图；元件清单；五相十拍步进电机第一章 引言步进电机作为执行元件，是电气自动化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。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
4、，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。基于PLC控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，参数设计置灵活等优点。步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。第二章 系统总体方案设计2.1程序设计的基本思路在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求。由于CPU对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，最长可达两个扫描周期，程序越长，这种滞后
5、越明显，则控制精度就越低。因此，在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁紧凑。另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，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SIMATIC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。2.2五相步进电动机的控制要求：1五相步进电动机有五个绕组: A、B、C、D、E ,正转顺序: ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB反转顺序: ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB2用五个开关控制其工作：1 号开关控制其运行 ( 启 / 停 )。2 号开关控制其低速运行 (转过一个
6、步距角需 0.5 秒)。3 号开关控制其中速运行 (转过一个步距角需 0.1 秒)。4 号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.03 秒)。5 号开关控制其转向 ( ON 为正转，OFF 为反转 )。2. 3方案原理分析2.3.1 功能要求对五相六拍步进电机的控制，主要分为两个方面：五相绕组的接通与断开顺序控制。正转顺序：ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB 反转顺序：ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB以及每个步距角的行进速度。围绕这两个主要方面，可提出具体的控制要求如下：（1） 可正转或反转；（2） 运行过程中，正反转可随时不停机切换；（3） 步进三种速度
7、可分为高速（0.05S），中速（0.3S）,低速（0.5S）三档，并可随时手控变速；2.3.2性能要求在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁紧凑。另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，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。第三章 PLC控制系统设计31输入输出编址控制步进电机的个输入开关及控制A、B、C、D、E五相绕组工作的输出端在PLC中的I/O编址如表1所示。表1 I/O地址分配表输入点输出点元件名称符号地址编码元件名称符号地址编码启/停开关SB1I0.0A绕组AQ0.00.5s低速运行开关SB2I0.1B绕组BQ0.10.1s中速
8、运行开关SB3I0.2C绕组CQ0.20.03s高速运行开关SB4I0.3D绕组DQ0.3控制转向开关QSI0.4E绕组EQ0.43.2选择PLC类型根据上图的I/O分配表通过查阅手册选择S7-200 CPU222基本单元（8入/6出）1台3.3 PLC外部接线图PLC外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求来设定。步进电动机采用五相十拍控制外部接线图如图31所示。图31步进电动机采用五相十拍控制外部接线图3.4 控制流程图由于上述具体控制要求，可作出步进电机在运行时的程序框图，如图32所示。以工作框图为基本依据，结合考虑控制的具体要求，首先可将梯形图程序分为4个模
9、块进行编程，即模块1：步进速度选择；模块2：起动、停止；模块3：正转、反转；模块4：移位控制功能模块；模块:5：A、B、C、D、E五相绕组对象控制。然后，将各模块进行连接，最后经过调试、完善、实现控制要求。首次选择步进速度启/停正转或反转位移寄存器赋初值低速中速高速发出位移脉冲执行位移位移输出控制电机步进十拍计数开始 NY 待添加的隐藏文字内容1图32 控制流程图3.5 梯形图程序设计3.5.1 步进控制设计采用移位指令进行步进控制。首先指定移位寄存器MW0，按照五相十拍的步进顺序，移位寄存器的初值见表2。表2 移位寄存器初值 M1.1 M1.0 M0.7 M0.6 M0.5 M0.4 M0.
10、3 M0.1 M0.01 0 0 0 0 0 0 0 0每右移1位，电机前进一个布局角（一拍），完成十拍后重新赋初值其中M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7始终为“0”。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，如表3.1、3.2所示。从而得出五相绕组的控制逻辑关系式：正转时A相 Q0.0=M1.1+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0B相 Q0.1=M1.1+M1.0+M0.7+M0.1+M0.0C 相Q0.2=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.5D相 Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5+M0.4+M0.3E相 Q0.4= M0.
11、5+M0.4+M0.3+M0.2+M0.1反转时A相 Q0.0=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.0B相 Q0.1=M1.1+M1.0+M0.2+M0.1+M0.0C相 Q0.2=M0.4+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0D相 Q0.3=M0.6+M0.5+M0.4+M0.3+M0.2E相 Q0.4=M1.0 +M0.7+M0.6+M0.5+M0.4表3.1 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（正转）移位寄存器MW0正转M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE100000000011100010000000001100
12、001000000001110000100000000110000010000000111000001000000011000000100010011000000010010001000000001011001000000000111000表3.2 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（反转）移位寄存器MW0反转M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE10000000001100001000000001100100100000001000100010000001001100001000000001100000100000011100000
13、01000001100000000100011100000000010011000000000001111003.5.2 梯形图设计 启停使用单按钮控制。梯形图设计如下，首先，按SB2(SB3或SB4)初次选择一种步进速度， 五相步进电动机的速度由定时器T33控制，把三个值50、10、3分别送到VW100可得到低速、中速、高速三种速度。再按SB1，M2.0得电，移位寄存器赋初值，电机开始转动，且定时器开始计时，到设定值时，T33得电动作，移位寄存器值右移一位，C21计数一次，然后T33重新计时。计数十次后动作C21使移位寄存器重新赋值，依次循环。QS控制正反转，ON时I0.4得五相步进电动机正
14、转，OFF时 I0.4失电五相步进电动机为反转。再按一下SB1，C20动作，M20失电，C21复位电机停止转动。 3.6 语句表 3.7主电路图3.8电机正反转控制图3.9元件清单控制主电路器件清单序号符号名称型号单位数量单价总价（元）1CPU222XPPLC6ES7214-2BD23-0XB8台1190019002M步进电机86BYGH5430台13603603FU熔断器rm10个23.97.84SB按钮开关la19-11d个52.6135QS刀开关HD11F-100A/38个150506KM交流接触器CJX2-0901个220.5417KT时间继电器H3Y-2个412.5508FR断路器5
15、SJ6320-7CC20个1105.3105.33.10 元件布置图总结在本次设计中，我需要的以前没有学到过的知识，于是图书馆和INTERNET成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我受益非浅。通过学习PLC理论课程后，在做课程设计能检测我的学习成果和知道自己的不足，此次设计每个人一个题目。由于平时大家都是学理论，没有过实际设计和调试的经验，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。我基本学会了PLC设计的步聚和基本方
16、法。也锻炼了自己独立做事的能力，怎么去查找资料，怎么去利用手中的资料，怎么样很好的写一篇PLC论文。在这次设计实践之中，我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视。在课程设计过程中我了解到，PLC并不是一门单一的编程技术，它是一门系统专业课程。PLC可以广义的认为是一台背嵌入操作系统的高可靠性PC机。首先需要精深PLC本身的编程语言梯形图、语句表语言。然后根据程序在实验室进行调试，使其达到预期的程度。最后，依照调试结果写论文。不断的锻炼自己的动手和思
17、维能力。 在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经验，增强了信心。参考文献1程子华，PLC原理与实例分析.北京:国防工业出版社，20062廖常初，PLC编程及应用.北京: 机械工业出版社，20053高钦和，可编程控制器应用技术及其设计实例.北京:高等教育出版社，20044李缓，PLC原理与应用.北京：北京邮电大学出版社，20055 林明星，电气控制及可编程序控制器M .北京：机械工业出版社，20046 周淑珍、高鸿斌, PLC分析与设计应用.北京：电子工业出版社，20047
18、 王玉中, 电气控制及PLC应用技术.河南：河南科学技术出版社，20068 张新军,电气控制与PLC技术及应用.济源：济源职业技术学院出版社，20069 张进秋主编.可编程控制器原理及应用实例M.北京：机械工业出版社，200410 江秀汉、汤楠主编.可编程序控制器原理及应用.西安：西安电子科技大学出版，20011 阮友德 电气控制与PLC实训教程 人民邮电出版社12 李俊秀 可编程控制器应用技术 化学工业出版社13 陈新华主编.电工技术与可编程序控制器实践.北京：机械工业出版社，2002附录一对PLC对步进电机的控制期刊的分析与想法PLC对步进电机的控制的期刊见附录二 通过阅读该期刊，PLC对
19、步进电机的控制由PLC控制驱动电路，在由驱动电路控制步进电机的转数，继而驱动负载。通过调节步进电机的频率来控制其转数，也可调节输人脉冲的周期就可以控制步进电机的运动速度。可以根据步进电机的输出位移量确定PLC输出的脉冲个数，即可实现对步进电机的步数控制。基本上可以达到无级调速，该期刊采用三菱PLC控制，然而我们可以采用西门子s7-200实现控制。大体思路及其方法如下：步进电机控制系统的结构框图如图所示。主要由人机界面、PLC控制器、步进电机驱动器及步进电机组成。由于步进电机本身的结构特性决定了它要实现高速运转必须有加速过程。如果启动时突然加载高频脉冲，电机会产生啸叫、失步、甚至不能启动。在停止
20、阶段也是这样的，当高频突降到零时，电机也会产生啸叫和振动。所以在加速和停止时，都必须有一个加速和减速阶段。我的具体做法为：首先控制步进电机，使之稳步启动，然后高速运动（电机正常工作时的速度），到达指定位置，减速之后低速运行一段时间，然后停止。后退过程同与前进过程相同，电机工作过程如图所示：控制系统中PLC用来产生控制脉冲;通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量;同时通过编程控制脉冲频率。采用驱动器对输出脉冲进行放大。进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。采用s7-200的优点：PLC脉冲控制步进电机技术应用于中、小功率牵引设备中，具有控制简单、稳定、成本低等特点。如果在系统中加上保护电路及防干扰措施，还可提高系统的稳定。
