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1、题 目：两自由度工作台精确定位基于感应开关换向摘要随着科学技术的发展，PLC在工业控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济的运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。自动化系统中所使用的各类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统的可靠性，一方面要求PLC生产厂家用提高设备的抗干扰能力，另一方面要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线
2、增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比，相应的转速取决于输入脉冲频率。步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电动机迅速的发展并成熟起来。从发展趋向来讲、步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机，以及同步电动机并列，从而成为电动机的一种基本类型。用PLC控制步进电机越来越流行了，这将是大势所趋的事情。关键词：PLC；控制系统；步进电机；应用；电动机AbstractWith the development of science and technology, PLC control in the ind
3、ustry wider and wider application. PLC control system reliability directly affects the safety of industrial enterprises and economic operation, the system of anti-interference ability is related to the reliable operation of the system key. Automated systems used in all types of PLC, some are install
4、ed in the control room concentrate, PLC control system to improve reliability, while requests to use PLC manufacturers improve equipment in the anti-jamming capability, on the other hand to require design, installation and construction and of maintenance of attach great importance to multi-Peihecain
5、eng, effectively enhance the system anti-incremental performance.Stepper motor is able to convert digital input pulse incremental rotary or linear motion electromagnetic actuator, Each input of a pulse motor shaft of a step angle stepping increment. Motor back to the corner and enter the total numbe
6、r of pulses proportional to the corresponding speed depends on the input pulse frequency. Stepper motor is a key component in mechatronic product, one is often used as a positioning control and constant speed control. Stepper motor quickly develop and mature, From the development trend of speaking,
7、the stepper motor has been with DC motor, induction motor, and the parallel synchronous motor, making it one of the basic types of motors. PLC controlled stepper motor with more and more popular, it will be the general trend of things.Key words: PLC, control System, stepping Motor, application, elec
8、tric motor目录第一章 绪论4 1.1 设计背景4 1.2 系统设计的任务6 1.3 本章小结6第二章 步进电机及PLC简介7 2.1 步进电机简介72.2 PLC的概述112.3 PLC技术在步进电机控制中的应用112.4 本章小结13第三章 PLC控制步进电机工作方式的选择14 3.1 常见步进电机的工作方式143.2 步进电机的控制原理143.3 PLC控制步进电机的方法15 3.4 PLC控制步进电机的设计思路163.5 本章小结18第四章 S7-200控制步进电机硬件设计194.1 S7-200的介绍194.2 步进电机的选择214.3 步进电机驱动电路设计224.4 PLC
9、驱动步进电机254.5 本章小结25第五章 控制系统的软件设计265.1 PLC编程软件265.2 设计程序285.3 重要指令介绍335.4 本章小结33结论34参考文献35致谢辞36 第一章 绪论1.1 设计背景步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机，传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动划时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。步进电动机的发展与计
10、算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进科步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器及包装机械等。任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在，步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性比较好而逐步处于主导地位。最典型的产品十二相8极5
11、0齿的电动机，步巨角1.8/0.9（全步/半步）；还有五相10极50齿和一些转子100齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。到目前，工业发达的国家的磁阻式步进电动机已极少见。步进电动机最大的生产国是日本，如日本的伺服公司、东方公司、SANYO DENKI和MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电机性能和外观质量，还是生产手段，都堪称是世界最好的。现在日本步进电动机年产量（含国外独资公司）近2亿台，德国也是世界上步进电动机生产大国。德国B.L公司1994年五相混合式步进电动机专利期满后，推出了新的三相混合式步进电动机系列，为定子6极转子50齿结构，配套
12、电流型驱动器，每转步数为200、400、1000、2000、4000、10000和20000，它具有通常的二相和五相步进电动机的分辨率，还可以在此基础上再10细分，分辨率提高10倍，这是一种很好的方案，充分运用了电流型驱动技术的功能，让三相电动机同时具有二相和五相电动机的性能。与此同时，日本伺服公司也推出了他们的三相混合式步进电动机。该公司阪正文博士研制了三种不同的永磁式三相步进电动机，即HB型（混合式）、RM型（定子和混合式相似，转子则同永磁式环形磁铁相似）和爪极PM型。将三相步进电动机同二相步进电动机进行比较后得出：1）在获得小步距角方面，三相电动机比二相电动机要好。2）三相电动机的两相励
13、磁最大保持力矩为3T1（T1为单相励磁转矩），而二相电动机为2T1，所以三相电动机的和成力矩大。3）三相电动机的转矩波动比二相电动机要小。4）三相电动机连续2步用于半步的转矩差比二相电动机的要小。5）三相电动机绕组可以星形连接，三个终端驱动，励磁电路晶体管6个；而三相电动机的是8个。6）连续运转时，由于步进电动机结构原因，磁通和电流的三次谐波被消除了,所以三相电动机的振动力矩比二相电动机的要小。结论是显而易见的。另外的结论是HB型电动机更适合于低速大转矩用途；RM型适用于平稳运行以及转速大于1000r/min的用途；而PM型成本低，在低转速时的振动和高转速时的大力矩方面，三相PM型电动机比二相
14、电动机的性能要好。因此，当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式步进电动机又向以下四个方向发展:发展趋势之一，随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断化，要求一直配套的电动机也越来越小，在57、42机座号的应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。发展趋势二，是改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方形结构，使得转子有可能设计的比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高30%-40%。发展趋势三，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
15、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能。发展趋势四，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越性。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。我国的情况有所不同，直到20世纪80年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是80年代后期才开始发展，至今仍是两种结构类型同时并存。尽管新的混合式步进电动机完全可能替代磁阻式步进电动机，但磁阻式电动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动
16、机的步距角（0.9/1.8）与典型的磁阻式电动机的步距角（0.75/1.5）不一样，用户改变这种产品的结构不是很容易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短的时间内改变。这种现状对步进电动机的发展是不利的。1.2 系统设计的任务步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运动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，因而得到了广泛的应用。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。步进电机具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，已成为运动控制领域的主要执行元件之一。随着微电子和计算机及技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个行业的控制
17、领域都将有广泛应用。而现在的可编程控制器（通常称PLC）是一种工业控制计算机，具有模块化结构、配置灵活、告诉的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能，能充分适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高，是目前广泛应用的控制装置之一。本设计是采用S7-200控制三相六拍的反应式步进电机，通过软件设计移位脉冲频率和感应开关来控制步进电机的慢速、中速、快速、前进、后退、正转、反转。移位寄存器指令MW0的低八位按照三相六拍的步进顺序进行赋值来控制步进电动机的转动。围绕这两个主要方面，可提出具体的控制要求如下：1) 横向：正转（前进）在前进中可变速，不能失步，遇到感应开关
18、后反转（后退），在本次设计中由于设备没有感应开关的原因，所以用按钮来替代感应开关。2) 纵向：正转（前进）在前进中也可变速，不能失步，遇到感应开关后反转（后退）。3) 运行过程中，可随时停机；随时让步进电机正反转。1.3 本章小结本章阐述了此次涉及的背景，即步进电机的发展状况，和步进电机在工业自动化生产中的重大作用。提出了本次设计的设计任务，用PLC控制步进电机以不同的方式运行。第二章 步进电机及PLC简介2.1 步进电机简介步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动
19、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。2.1.1 步进电机的分类 现在比较常用的步进电机包括永磁式步进电机（PM）、反应式步进电机（VR）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。 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；永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。 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.
20、5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。3）混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。三相反应式步进电机的结构如图2-1所示。定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的。定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C相。在定子磁极
21、和转子磁极上都开有齿分度相同的小齿，采用适当的齿数配合，当A相得磁极的小齿与转子小齿一一对应时，B相磁极的小齿与转子小齿相互错开1/3齿距，C相错开2/3齿距。如图2-2所示：电机的位置和速度由绕组通电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由绕组通电的顺序决定。2.1.2 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，如86BYG250A型电机给出的值为0.9/1.8（表示半步工作时为0.9、整步工作时为1.8），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。
22、 通常步进电机步距角的一般计算按下式计算。 =360/（ZmK） 式中 步进电机的步距角； Z转子齿数； m步进电动机的相数； K控制系数，是拍数与相数的比例系数。 2）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0.36/0.72 。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 是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子
23、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2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m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，定子锁住转子的力矩。由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以他没有钳制转矩。2.1.3 步进电机的主要特点1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 2）步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降
24、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。 3）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。 4）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
25、能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 2.1.4 反应式步进电机原理2.1.4.1 结构 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图： 2.1.4.2旋转 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不
26、受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电
27、顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 2.1.5 步进电机在工业控制领域的主要应用步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产
28、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。由于通过控制脉冲数可以很方便的控制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地应用于各种开环控制系统中。2.2 PLC的发展概述可编程序控制器（简称PLC）它是基于微处理器的通用工业控制装置。PLC能执行各种形式和各种级别的复杂控制任务，它的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要支柱之一。PLC对用户友好，不熟悉计算机但是
29、熟悉继电器系统的人能很快学会用PLC来编程和操作。PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，在其他领域的应用也得到了迅速的发展。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储存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
30、/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕后，最后将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，近年来多大型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。2.3 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，其功能与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
31、的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套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，转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越性。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要好一些。目前利用可编程控制器（即PLC技术）可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，他代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的
32、实现。用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，对步进电机进行控制。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、频率及电动机绕组通电的相序，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有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
33、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。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。由以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出：控制步进电机最重要的就是要产生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，能够满足步进电机的要求。对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC最好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兹或更高。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
34、端口应采用大功率晶体管，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。如下图2-4所示： 图2-4 驱动器驱动步进电机2.4 本章小结 本章阐述了步进电机的主要特点与工作原理，并介绍了PLC的发展状况以及PLC技术在步进电机控制中所发挥的巨大作用。第三章 PLC控制步进电机工作方式的选择3.1 常见步进电机的工作方式常见步进电机的工作方式有以下三种：1.三相单三拍：ABCA2.三相双三拍：ABBCCAAB3.三相六拍：AABBBCCCAA3.2 步进电机控制原理3.2.1 控制步进电机换相顺序通过换向这一过程称为脉冲分配，例如：三相步进电机的三相三拍工作方式，其各相通电顺序为
35、A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。3.2.2 控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换向，则电机就反转。3.2.3 控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它就会在转一步。两个脉冲的间距越短，步进电机就转得越快。调整发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。3.3 PLC控制步进电机的方法在本设计中直接使用PLC控制步进电机，可使用PLC产生控制步进电机所需要的各种时序脉冲。三相步进电机可采用三种控制方式：三相单三拍，三相双三拍，三相单六拍。这三种方式的主要区别是：电机绕组的通
36、电、放电时间不同。工作方式是单三拍时通电时间最短，双三排时允许放电时间最短，六拍时通电时间和放电时间最长。因此，同一脉冲频率时，六拍的工作方式出力最大。而且，电机是三拍的工作方式时，其分辨率为3度，六拍的工作方式时，分辨率是1.5度。所以在本课题中，我们采用三相六拍的工作方式，在这中控制方式下工作，步进电机的运行特性好，步进电机的分辨率最高。可根据步进电机的工作方式，以及所要求的频率（步进电机的速度），画出A、B、C各相的时序图如图3-4所示。并使用PLC产生各种时序的脉冲，例如：本设计采用西门子S7-200三相步进电机的过程。3.4 PLC控制步进电机的设计思路3.4.1 步进电机控制方式典
37、型的步进电机控制系统如图3-5所示：步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。在经历了一个大的发展阶段后，目前其发展趋向平缓。然而，其基本原理是不变的，即：是将一种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脉冲顺序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及及电动机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，可简单地定义为，根据输入
38、的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定的角度或长度，若不改变励磁状态则保持一定的位置而静止的电动机；从广义来讲，步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可以看作是在一定频率范围内转速或控制脉冲频率同步的同步电动机。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；按照控制结构可分为：硬脉冲生成器硬脉冲分配结构（硬-硬结构）、软脉冲生成器软脉冲分配器结构（软-软结构）、软脉冲生成器硬脉冲分配器结构（软-硬结构）。1.硬-硬结构如图3.6所示，这种步进电机的控制驱动系统由硬件电路脉冲生成器、硬件电路脉冲分
39、配器、驱动器组成。这种控制驱动方式运行速度比较快，但是电路复杂，功能单一。2软软结构如图3.7所示，这种步进电机的控制驱动系统由软件程序脉冲生成器、软件程序脉冲分配器、驱动器组成，而软件脉冲生成器和脉冲分配器都有微处理器或微控制器通过编程实现。用单片机、工业控制机、普通个人计算机、可编程序控制器控制步进电机一般均可采用这这种结构。这种控制驱动方法电路结构简单、可以实现复杂的功能，但是占用CPU时间多，给微处理器运行其他工作造成困难。3.软硬结构如图3.8所示，这种步进电机的控制驱动系统由软件脉冲生成器、硬件脉冲分配器和硬件驱动器组成。硬件分配器是通过脉冲分配器芯片（如8713芯片）来实现通电换
40、相控制的。这种控制驱动方法电路结构简单、可以实现复杂的功能，同时占用CPU时间较少，用可编程控制器全部实现了控制器和驱动器的功能。在PLC中，由软件代替了脉冲生成器和脉冲分配器，直接对步进电机进行并行控制，并且由PLC输出端口直接驱动步进电机。如图3.7所示，这是一种软-软结构，脉冲生成器和脉冲分配器均有可编程序控制其程序实现。3.4.2 西门子PLC控制步进电机由以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出：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，能够满足步进电机的要求。对PLC提出两个特性要求。
41、一是在此应用的PLC最好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兹或更高。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。对输入电机的相关脉冲控制，从而达到对步进电机三相绕组的+5V的直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。3.5 本章小结本章说明了三相步进电机几种常见的工作方式，即三相单三拍，三相双三拍和三相六拍。阐述了步进电机的控制原理，以及PLC控制步进电机运行的方法。第四章 S7-200控制步进电机硬件设计4.1
42、 S7-200 的介绍S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。适用范围S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制运动系统。CPU单元设计集成的24V负载电源：
43、可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，222具有180mA输出， CPU 224，CPU 224XP，CPU 226分别输出280，400mA。可用作负载电源。 不同的设备类型 CPU 221226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。 本机数字量输入/输出点 CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222具有8个输入点和6个输出点，CPU 224具有14个输入点和10个输出点，CPU 224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU 226具有24个输入点和16个输出点。 本机模拟量输入/输出点 CPU 224XP具有2个输入点，1个输出点。 中断输入
44、允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 高速计数器 CPU 221/222 4个高速计数器（30KHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90的A/B相增量编码器 CPU224/224XP/226 6个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。 CPU 222/224/224XP/226 可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。4.1.1 西门子PLC应用中应注意的问题1）温度：PLC要求环境温度在0-55，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应
45、足够大。2）湿度：为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无露珠）。3）震动：应使PLC远离强烈的震动源，防止振动的频率为10Hz-55Hz的频率或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。4）空气：避免有腐蚀和易燃的气体，如氯化氢、硫化氢等。对于空气有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。5）电源：PLC对电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。一般PLC都有直流24V输出提供给输入端子，当输入端使用外接直流电源时，
46、应选用直流稳压电源。普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。4.1.2 控制系统中干扰及其来源影响PLC控制系统的干扰源，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，其原因是电流改变产生磁场，对设备产生电磁辐射；磁场改变产生电流，电磁高速产生电磁波，电磁波对其具有强烈的干扰。1）强电干扰。由于电网覆盖范围广，电网受到空间电磁干扰而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化，刀开关操作浪涌、大型电力设备启停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传达到电源边。2）柜内干扰。控制柜内的高压电器，大的电感性负载，混乱的布线都容易对PLC造成一定程度的干扰。3）来自接地系统混乱时的干扰。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。4）来自PLC系统内部的干扰。主要有系统内部元件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及对其模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元件的相互不匹配使用等。5）变频器干扰。一是变频器起动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量；二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的正常工作。4.1.3 主要抗干扰措施
