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1、机电工程学院课程设计说明书设计题目:五相单双十拍步进电动机控制程序的设计与调试 学生姓名： xxx 学 号： xxxx 专业班级： 机制F09xx 指导教师： xxx 2012年 12月 14 日内容摘要 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(
2、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、梯形图以及语句表。本文设计过程中使用了移位指令，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: S7-200 PLC；梯形图；五相十拍步进电动机目 录第1章 引言11.1 五相步进电动机的控制要求11.2 程序设计的基本思路2第2章 PLC控制系统设计32.1 PLC类型选择32.2 I/O点的分配与编号32.3 PLC外部接线图42.4 绘制控制流程图52.
3、5 梯形图程序设计62.5.1 步进控制设计62.5.2梯形图72.6程序指令表12第3章 控制程序运行及调试163.1电机低速转动时程序测试.163.2电机中速转动时程序测试.173.3电机高速转动时程序测试18设计总结.19谢 辞20参考文献21第1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，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
4、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。1.1 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: AABBBCCCDDDEEEA；反转顺序: EAEDEDDCCBCBBAA2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 (转过一个步距角需 0.5 秒)。
5、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 0.02 秒)。5 号开关控制其转向 ( ON 为正转，OFF 为反转 )。3.操作方面要求： （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）步进三种速度可分为高速（0.02S），中速（0.1S），低速（0.5S）三档，并可随时手控变速;4.性能方面要求：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。1.2 程序设计的基本思路在进行程序设
6、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。第2章 PLC控制系统设计2.1 PLC类型选择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
7、加上保护电路及防干扰措施，还可提高系统的稳定性。S7-200系列PLC是西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到了大中型PLC的水平，而价格却和小型PLC接近。特别是S7-200CPU系列PLC，它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，便于系统的集成，并很容易地组成PLC网络；此外，它还具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得S7-200系列PLC在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。控制步进电机的共有5个输入开关，分别是启/停开关QS1，0.5s低速运行开关QS2，0.1s中速运行开关QS3，0.02s高速运行开关QS4，控制转向开关QS5。控制A、
8、B、C、D、E五相绕组的工作，需要五个直流输出量，分别是A相绕组B相绕组，C相绕组，D相绕组，E相绕组。由于有5个直流输入，5个直流输出，无模拟量输入输出，因此只需5点输入，5点输出即可，加上10%的余量，通过查阅手册选定S7-200 CPU222基本单元（8入/6出）1台，输出形式又有继电器输出，晶体管（只能直流）输出，晶闸管输出（只能输出交流）三种形式。由于输出为之流脉冲信号，故采用可直流可交流的继电器输出形式。图2-1是CPU222的图片及简要介绍。图2-1 CPU222的图片及简要介绍2.2 I/O点的分配与编号控制步进电机的5个输入开关及控制A、B、C、D、E五相绕组工作的输出端在P
9、LC中的I/O编址如表2-1所示。表2-1 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相绕组AQ0.00.5s低速运行开关SB2I0.1B相绕组BQ0.10.1s中速运行开关SB3I0.2C相绕组CQ0.20.02s高速运行开关SB4I0.3D相绕组DQ0.3控制转向开关QSI0.4E相绕组EQ0.42.3 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I/O接线图如图2-2所示。图2-2 PLC控制I/O接线图2.4 绘制控制流程图由于上述具体控制要求，可作出步进
10、电机在运行时的程序框图，如图2-3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图2-3 控制流程图2.5 梯形图程序设计2.5.1 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
11、表2-2。表2-2 移位寄存器初值M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.1M0.0100000000每右移1位，电机前进一个步距角（一拍），完成十拍后重新赋初值。由于10位大于1字节而又小于2字节，故令未用上的M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7置“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2-3、2-4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+M1.0+M0.0B相 Q0.1= M1.0+M0.7+M0.6C 相Q0.2= M0.6+M0.5+M0.4D相 Q0.3= M0.4+M0.
12、3+M0.2E相 Q0.4= M0.2+M0.1+M0.0反转时A相 Q0.0=M1.1+ M0.1+M0.0B相 Q0.1= M0.3+M0.2+M0.1C相 Q0.2=M0.5+M0.4+M0.3D相 Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5E相 Q0.4=M1.1+M1.0 +M0.7表2-3 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M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE1000000000100000100000000110000010000000010000001000000011000000100000
13、001000000010000001100000001000 00010000000010000011000000001000001000000000100001表2-4 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M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE10000000001000101000000000000100100000000001100010000000001000001000000011000000100000010000000010000110000000001000100000000000101100
14、00000000001100002.5.2梯形图梯形图设计如下：首先，按SB2或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、2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，计数器C21计数一次，然后T33重新计时。计数器C21计数十次后动作，使移位寄存器重新赋值，依次循环。QS控制正反转，ON时I0.4得电，五相步进电动机正转；OFF时，I0.4失电，五相步进电动机反转。转动启/停开关SB1， M2.0失电，C2
15、1复位电机停止转动。网络1为启停控制开关，按I0.0，M2.0得电，电机启动。I0.1为低速选择开，按下后，每隔0.5秒移位一次，I0.2为中速选择开关，按下后，每隔0.1秒移位一次I0.3为高速选择开关，按下后，每隔0.02秒移位一次。每次运行，只能选择一种速度，故在每个回路中串入另外两个开关的常闭触点，实现互锁。如图2-4。图2-4 启停及选挡梯形图移位寄存器赋初值，十拍后，重新赋初值。如图2-5。图2-5 移位寄存器赋初值T33是一个分辨率为10ms的计时器，设定值由存储单元VW100设定，设定值由选挡开关SB2，SB3，SB4 决定。即使时间到，则执行右移指令。如图2-6。 图2-6
16、定时右移 网络9中，C21为十拍计数装置，计数十次，即十拍，C21得电动作，使自身复位重新计数，同时移位寄存器重新赋初值。如图2-7。图2-7 十拍计数装置B，C，D，E 各相绕组，得电动作设计，如图2-8。 图 2-8 五相十拍步进电动机PLC控制梯形图2.6程序指令表语句表Network 1 / 启/停LD I0.0= M2.0Network 2 / 低速LD I0.1EUAN I0.2AN I0.3MOVW 50, VW100Network 3/ 中速LD I0.2EUAN I0.1AN I0.3MOVW 10, VW100Network 4 / 高速LD I0.3EUAN I0.1AN
17、 I0.2MOVW 2, VW100Network 5 / 移位寄存器赋初值LD M2.0O C21EUMOVW 2#, MW0Network 6/ 单拍计时LD M2.0AN M3.0TON T33, VW100Network 7 / 计时时间到重新计时LD T33= M3.0Network 8 / 计时时间到移位一次LD T33EUSRW MW0, 1Network 9 / 十拍计数LD M3.0LD C21ON M2.0CTU C21, 10Network 10/ A相LD M1.1O M0.0LD M1.0A I0.4OLDLD M0.1AN I0.4OLDA M2.0= Q0.0Ne
18、twork 11/ B相LD M1.0O M0.7O M0.6A I0.4LD M0.3O M0.2O M0.1AN I0.4OLDA M2.0= Q0.1Network 12 / C相LD M0.5O M0.4LD M1.0O M0.6A I0.4OLDLD M0.3AN I0.4OLDA M2.0= Q0.2Network 13 / D相LD M0.4O M0.3O M0.2A I0.4LD M0.7O M0.6O M0.5AN I0.4OLDA M2.0= Q0.3Network 14/ E相LD M0.2O M0.1O M0.0A I0.4LD M1.1O M1.0O M0.7AN I
19、0.4OLDA M2.0= Q0.4第3章 控制程序运行及调试3.1电机低速转动时程序测试 图3-1 低速测试时I0.1为低速选择开关，按下后，每隔0.5秒移位寄存器移位一次，M2.0得电后，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，计数器C21计数一次，然后T33重新计时。计数器C21计数十次后动作，使移位寄存器重新赋值，依次循环。3.2电机中速转动时程序测试图3-2 中速测试时I0.2为中速选择开关，按下后，每隔0.1秒移位寄存器移位一次，M2.0得电后，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，
20、移位寄存器值右移一位，计数器C21计数一次，然后T33重新计时。计数器C21计数十次后动作，使移位寄存器重新赋值，依次循环。3.3电机高速转动时程序测试图3-3 高速测试时I0.3为高速选择开，按下后，每隔0.5秒移位寄存器移位一次，M2.0得电后，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，计数器C21计数一次，然后T33重新计时。计数器C21计数十次后动作，使移位寄存器重新赋值，依次循环。QS控制正反转，ON时I0.4得电，五相步进电动机正转；OFF时，I0.4失电，五相步进电动机反转。转动启/停开关SB1， M2.0失电，C21复位
21、电机停止转动。设计总结这次机电传动与控制课程设计，我的选题是五相单双十拍步进电动机控制程序的设计与调试。最初拿到题目我感到无从下手，一连两天没有一点思路，这时王老师给我提供了一些建议和指导，让我用移位指令进行尝试。在老师的耐心指导下，我顿时恍然大悟，于是搜集相关资料开始了设计。我通过参考网上的同类型设计成果，综合考虑自己的特有要求，对原作进行了必要的改进和补充，最终形成了这个设计结果，经过调试，能够满足相应要求。由于时间有限，知识水平尚未达到一定高度，设计结果还有进一步完善的地方，以后有时间，将会继续完善。谢 辞关于这次课程设计，首先感谢王宗才老师的指导和帮助，设计过程中给予了我很大的指导和帮
22、助，在此我首先表示感谢。 本课题在选题及研究过程中老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。在他的引导下，我认识了有了设计的思路，极大的开拓了我的学术视野，也为本篇设计打下了理论基础。 最后感谢在大学期间，传授我知识的老师们，感谢在学习和生活上给予我帮助的同学们，没有他们的帮助就没有我今天的成绩。经过两周的学习，本次课程设计已经接近尾声，作为一个在校学生，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方
23、，毕竟这次设计是我第一次进行电气全面和系统的设计，疏漏和不足之处在所难免，可能存在许多细节未做到及时处理，请老师指正，以帮助我不断提高，不断进步。我相信通过这次全面系统的设计以及在这个过程中各位老师的不断点拨，在今后的工作中我一定会做到更好。参考文献1 王宗才. 机电传动与控制. 北京: 电子工业出版社. 2011.2 于庆广.可编程控制器原理及系统设计.北京:清华大学出版社.2004.3 胡学林. 电气控制及PLC. 北京：冶金工业出版社, 1997.4 廖常初. PLC编程及应用. 北京：机械出版社，2002.5罗伟.邓木生.PLC与电气控制.北京：中国电力出版社，2005.6 马光.全自动洗衣机中的传感器J.北京:家用电器,1999.7 孙振强.可编程控制器原理及应用教程.北京：清华大学出版社.2003.8 刘子林.电机与电气控制M.北京:电子工业出版社,2003.9 程周.电气控制与PLC原理及应用M.北京:电子工业出版社,2003.10 蒋金周.全自动洗衣机的PC智能控制J.机电一体化,2004.11 肖明耀.PLC原理与应用.中国劳动社会保障出版社,2006.