1、江西理工大学应用科学学院课程设计 1目录摘要2第一章 引言3第二章 系统总体方案设计42.1 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42.3.1 功能要求 42.3.2 性能要求 5第三章 PLC 控制系统设计 631 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 主电路图183.8 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20五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试2
2、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 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
3、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；五相十拍步进电机江西理工大学应用科学学院课程设计 3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，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
4、 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。五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试4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，这种滞后越明显，则控制精
5、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 (转过一个步距角需
6、 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） 步进三种速度可分
7、为高速（0.05S） ，中速（0.3S ）,低速（0.5S）三档，并可随时手控变速；江西理工大学应用科学学院课程设计 52.3.2 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。五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试6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
8、符号 地址编码启/停开关 SB1 I0.0 A 绕组 A Q0.00.5s 低速运行开关 SB2 I0.1 B 绕组 B Q0.10.1s 中速运行开关 SB3 I0.2 C 绕组 C Q0.20.03s 高速运行开关 SB4 I0.3 D 绕组 D Q0.3控制转向开关 QS I0.4 E 绕组 E Q0.43.2 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
9、所示。江西理工大学应用科学学院课程设计 71M1LI0.Q0.2I0.3M4I0.567ML+ DC24V2 LQ0.345 NL1SBSBQ ABCDECPU220V ACFU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
10、现控制要求。五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试8NY图 32 控制流程图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江西理工大学应用科学学院课程设计 93.5 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 M0.3 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.
11、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= M0.5+M0.4+M0.3+M0.2+M0.1反转时A 相 Q0.0=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6
12、+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+M0.4五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试10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M1.1 M1.0 M0.7 M0.6 M0.5 M0.4 M0.3 M0.2 M0.1 M0.0 A B C D E1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 00 1 0 0
13、0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 00 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 00 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 00 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 10 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 10 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 10 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0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M1.1
14、 M1.0 M0.7 M0.6 M0.5 M0.4 M0.3 M0.2 M0.1 M0.0 A B C D E1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 00 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 10 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 10 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 10 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 10 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 10 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 00 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 00 0 0 0 0 0 0
15、 0 1 0 0 1 1 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0江西理工大学应用科学学院课程设计 113.5.2 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。
16、QS 控制正反转，ON 时 I0.4 得五相步进电动机正转，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。五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试12江西理工大学应用科学学院课程设计 13五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试14江西理工大学应用科学学院课程设计 15五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试16江西理工大学应用科学学院课程设计 173.6 语句表五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试183.7 主电路图3.8 电机正反转控制图江西理工大学应用科学学院课程设计 193.9 元件清单控制主电路器件
17、清单序号 符号 名称 型号 单位 数量 单价 总价（元）1 CPU222XP PLC 6ES7214-2BD23-0XB8 台 1 1900 19002 M 步进电机 86BYGH5430 台 1 360 3603 FU 熔断器 rm10 个 2 3.9 7.84 SB 按钮开关 la19-11d 个 5 2.6 135 QS 刀开关 HD11F-100A/38 个 1 50 506 KM 交流接触器 CJX2-0901 个 2 20.5 417 KT 时间继电器 H3Y-2 个 4 12.5 508 FR 断路器 5SJ6320-7CC20 个 1 105.3 105.33.10 元件布置图
18、五相十拍步进电动机 PLC 控制设计与调试20总结通过学习 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，
19、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张万忠 刘明芹 电器与 PLC 控制技术2程子华，PLC 原理与实例分析.3廖常初，PLC 编程及应用. 4高钦和，可编程控制器应用技术及其设计实例.江西理工大学应用科学学院课程设计 21
