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1、/基于 PLC 步进电机控制系统的设计摘要随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。使转轴步进一个步距角增量，输出角位移与输入脉冲数成正比，转速与输入脉冲频率成正比。步进电机的控制方式简单，属于开环控制，且无累积定位误差，有较高的定位精度，而 PLC 作为一种工业控制微机，是实现电机一体化的有力工具，因此基于 PLC的步进电机控制技术已广泛用于数字定位控制中。本设计将步进电机控制系统用于控制
2、数控机床滑台。本控制系统的设计，由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计主要包括步进电机的工作原理、步进电机的驱动电路设计、PLC 的输入输出特性、PLC 的外围电路设计以及 PLC 与步进电机的连接与匹配等问题的实现。软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。关键词 ：步进电机、PLC、转速控制、方向控制/Stepping motor control system based on PLCAbstractWith the development of microelectronics and compu
3、ter technology, the stepper motor is increasing demanded, which is widely used in printers, electric toys and other consumer products, and CNC machine tools, industrial robots, medical equipment and other electrical machinery products, and is applied in the national economy in various fields. Resear
4、ching of stepper motor control system to improve the control accuracy and response speed, energy conservation is so important.Stepper motor is a device which will transform electrical pulses into mechanical angular displacement so that Shaft of each pulse to a step angle stepping increment, SO outpu
5、t angular displacement is proportional to the input pulses, speed is proportional to the input pulse speed and speed is proportional to input pulse frequency. Stepper motor control is simple, is open-loop control, and no accumulation of positioning error, a high positioning accuracy,and the PLC as a
6、n industrial control computer, is a powerful tool for the integration of the motor, Therefore, the stepper motor control based on PLC technology has been widely used for digital positioning control.The control system consists of hardware and software design of two parts. Among them, the hardware des
7、ign includes the working principle of stepper motor, stepper motor drive circuit design, PLC input and output characteristics, PLC and PLC external circuit connection with the stepper motor and matching Problem. Software design, including the main program and each module of the control program, ulti
8、mately realizes on the stepper motor rotation direction and rotation speed control This system has the intelligence, practicality and reliability features.Keywords ：Stepper motor, PLC, speed control, direction control/目录基于 PLC 步进电机控制系统的设计 .I摘要 .IStepping motor control system based on PLC.IIAbstract
9、.II第一章 绪论 .11.1 PLC 的发展及应用前景 .11.1.1 可编程控制器（PLC）的发展趋势 .11.1.2 可编程控制器（PLC）的应用领域 .11.1.3 PLC 的应用前景 .11.2 提出问题 .21.2.1 机床滑台类型及控制 .31.2.2 本文的工作目的及意义 .31.2.3 本文的主要目的及意义 .31.3 系统功能 .4第二章 PLC 概述 .52.1 PLC 的产生与发展 .52.1.1 PLC 的产生及定义 .52.1.2 PLC 的发展 .62.2 PLC 的特点与功能 .72.2.1 PLC 的特点 .72.2.2 PLC 的功能 .72.3 PLC 的
10、结构 .82.4 PLC 的编程语言 .82.4.1 梯形图 .92.4.2 语句表 .112.4.3 顺序功能图 .11第三章 步进电机概述 .123.1 步进电机工作原理 .123.2 步进电机的特性 .123.3 步进电机的分类 .133.4 步进电机驱动器的直流供电电源的确定 .13/3.5 步进电机使用时的注意事项 .143.6 步进电机驱动器的细分原理及一些相关说明 .143.7 反应式步进电机 .153.8 本设计所用步进电机 .18第四章 总体方案设计 .194.1 数控滑台的控制方法 .194.1.2 进给速度控制 .194.1.3 进给方向控制 .194.2 PLC 控制系
11、统设计 .194.3 PLC 控制系统的接地方法 .204.4 步进电机的控制 .204.4.1 步进电机的起停控制 .214.4.2 步进电机的加减速控制 .214.4.3 步进电机的换向控制 .224.5 本章小结 .22第五章 数控滑台的设计 .235.1 总体设计方案的确定 .235.2 机械部分设计计算 .23第六章 设计硬件电路 .366.1 硬件电路总体分析 .366.2 总体设计分析图 .366.3 电路总体设计 .366.4 步进电机的驱动电路 .38第七章 软件设计 .447.1 可编程控制器（PLC）的工作原理 .447.2 存储空间的计算 .477.3 可编程控制器（P
12、LC）提供的编程语言 .477.4 PLC 编程中难点介绍 .497.4.1 驱动电源的特殊性 .497.4.2 用功能指令构建控制程序的有关问题 .497.5 PLC 梯形图 I/O 分配表 .50/第 8 章 GX Developer 软件程序模拟运行 .518.1 程序运行图文说明 .51结论 .68附录 .691、流程图 .692、控制系统设计步骤 .69参考文献 .711、参考资料 .712、参考论文 .72外文文献 .74中文翻译 .78致谢 .81/第 1 章 绪论1.1 PLC 的发展及应用前景PLC 工艺自从出现一直到今天，已经由最初的接线逻辑发展到了储存逻辑，目前被大量的应
13、用到众多的行业之中。当今社会是一个高速发展的社会，目前的半导体工艺和电脑科技非常发达，PLC 借助这些技术的优势，已经可以非常好的处理网络接口了。总体来说，这项工艺很受行业人士的喜欢。这项系统是专门用于工艺生产工作的数控系统，它把电脑科技和自控工艺等技术有效的融合在一起，它是目前行业的关键设备，它的稳定性很高。此外，它还具有强大的抗干扰能力，编程步骤简单，而且易于维护。随着工艺不断发展，现今它的控制活动已经能够从原先的单一化逻辑控制发展到如今的持续性控制。1.1.1 可编程控制器（PLC）的发展趋势我们坚信这项技术一定会得更好的发展。从技术上来看，随着目前电脑等优秀的科学技术被广泛的应用到 P
14、LC 上面，因此我们坚信不久的将来，就会出现运算速率更快，容量更加庞大，更为先进的产品。从规模上来说，完备的通信设备会更好地迎合各种工业控制场合的不同需求；从市场上来分析，今后的竞争将会更加的激烈，将会发生垄断现象，届时将会有全球通用的编程语言；通过分析网络的发展态势可以得知，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成的大型控制系统是可编程控制器技术的发展方向。伴随着计算机网络的高速发展，可编程控制器作为国际通用网络和自动化控制网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的大量领域发挥十分重要的作用。1.1.2 可编程控制器（PLC）的应用领域PLC 是以微计算机技术和通信技术和自动控制技术为基础发展
15、起来的新的工业控制装置，随着微处理工艺的发展，这项技术必然会会在众多的行业之中获取良好的发展。当前它的应用范围非常广，比如：通用和专用机械，汽车制造，机床与工具，立体仓库，控制设备制造、控制与装置仪表，环保及文化娱乐等各个行业。而且还在朝着其它方向/扩展。PLC 的自诊断占 18，批量控制占 26，运动控制占 40，过程控制占 58，应用机械控制占 871.1.3 PLC 的应用前景PLC 制造商通过收购和联合大量的软件企业和发展软件产业。明显的提升了软件使用性能。大多的品牌都有与它们的设备相对应的平台甚至软件，将其有效的结合在一起，能够显著的提升系统的综合服务能力，而且节省投资，得到良好的控
16、制体系，目前，PLC+网络+IPC+CRT 的模式被大规模应用。可编程控制器（PLC）厂家在以前的 CPU 模板上提供物理层 RS232/422/485 接口的基础上，新添了很多不同的通讯接口，能够创造一体化的网络体系。近年来信息技术发展很快，用户对开放性有着更多的需求，而且此时的互联网也在迅速发展。例如：罗克韦尔 A-B 公司大力主推的三层网络结构体系，即 Device Net、Ether Net，Contml Net。工艺在发展的时候，生产厂家为了获得更多的市场份额，不断展开激烈的竞争。它们的标准不一样，所以无法很好的兼容在一起，这就导致用户在使用的时候非常不方便，而且会造成维护费用增加。
17、以后市场必然会高度开放，这已经被大多数生产厂家意识到了，形成了长时期妥协与竞争的过程，而且这一过程还在继续。虽说目前的工具无法很好的兼容在一起，不过随着系统的进步，用户在使用的时候，已经能够较好的应用各种性质的产品了。当前时期，该系统的网络水平以及运算速率等都明显的强化了，此时已经不再是单纯的用来进行逻辑控制了，更多的是用到过程控制之中。相关人士调查得出的结论是:目前除了石化等行业之外，这项系统在大部分的行业中都获取了良好的成就。通过分析我们发现，该系统的优点非常明显，比如它的结构非常紧凑，它的功能很多，稳定性强，速率较快，最主要的是它的价位不高，因此不管是目前还是今后的很长一段时间之内，该系
18、统都能够发挥出非常明显的意义，它的存在必将带动整个行业的进步。1.2 提出问题在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产还是在日常生活中，都大量地使用着各种各样的电动机。因此对电动机的控制变得越来越重要。电动机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、永/磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术化。步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的原理是通过对每相线圈中的电流和通电顺序切换来使电机作步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率可以改变步进电机的原先转速。也就是说:当步进驱动
19、器接收到一个脉冲信号，驱动步进电机就按设定的方向转动一个固定的角度。通过改变脉冲个数即可以改变角位移量，以达到准确定位的目的。同时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，目前比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR)、永磁式步进电机(PM),混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。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 7.50;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 1.50，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。混合式步进电机是指混合了永磁式步进电机和反应式步
20、进电机的优点。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。1.2.1 机床滑台类型及控制在组合机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台：1液压滑台，用于切削量大、加工精度要求较低的粗加工序中；2机械滑台，用于切削量中等、具有一定加工精度要求的半精加工工序中；3 数控滑台，用于切削量小、加工精度要求很高的精加工工序中。可编程控制器（简称 PLC）以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业 自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及
21、 CNC 机床的 S、T、M 功能控制中更显示出其卓越的性能。PLC 控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统，使该单元的控制系统成本降低70%90%，甚至只占用自动线控制单元 PLC 的 35 个 I/O 接口及小于 1KB 的内存。特别是大型自动线中可以使控制系统的成本显著下降。1.2.2 本文的工作目的及意义毕业设计做了以下工作：1.对数控滑台控制进行了系统的学习，包括 PLC 及步进电机的主要应用，实际的需求。/2.应用三菱公司的可编程控制器 FZ2X-16MT 及 20BYJ46 四相步进电机,在此基础上搭建了实际的控制模型。 3.深
22、入研究了位置控制系统的算法，利用三菱系统高速、大存储、数据结构灵活等特点，实现了更简便的数控位置的 PLC 控制。4.根据要求设计了仿真，以实现程序的模拟。1.2.3 本文的主要目的及意义1.以数控滑台的逻辑控制为实例，对三菱系统的网络组态、系统配置和梯形图编程进行一次尝试，为今后的更好地开发三菱系统的工程应用积累经验。2.以一种全新的编程思想进行 PLC 的梯形图编程，对于将来高性能的 PLC 的编程具有开拓性的意义。3.对于数控滑台位置控制实现的研究也给后续的研究开辟了一个全新的方式，为更简捷完善的多轴位置控制的实现打下了坚实基础，对位置理论及其实现、位置控制在实际工程的应用都有很大的指导意义和参考价值。1.3 系统功能设计的目的是设计出一个以步进电机为基础控制系统。本系统采用 FX2N 系列 PLC 作为控制单元，通过按键实现对步进电机转动方向以及转动速度的控制，设计的步进电机控制系统有以下功能：1. 步进电机的启停控制2步进电机的正反转控制3. 步进电机的加速控制4. 步进电机的减速控制5. 步进电机通电方式改变的控制/第二章