1、1机电传动与控制 课 程 设 计设 计 说 明 书设计题目: 三相六拍步进电动机控制程序的设计与调试 院系名称： 机电工程学院 专业班级： 机制* 学生姓名： * 学 号：* 指导教师： 王宗才 22012 年 12 月 08 日内容摘要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, 而且对工业现场的恶劣环境适应性差, 可靠性不高。使用 PLC 可编程控制器实现三相六拍步进电动机驱动，可使步进电动机东芝的抗
2、干扰能力强，可靠性高，同时，由于实现了模块化结构，是系统结构十分灵活，而且编程语言简短易学，便于掌握，可以进行在线修改，柔性好，体积小，维修方便。 本设计是利用 PLC 做三相六拍步进电动机的控制核心，用按钮开关的通断来实现对步进电机正,反转控制，而且正，反转切换无须经过停车步骤。其次可以通过对按钮的控制来实现对高，低速度的控制。充分发挥 PLC 的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计 PLC 控制系统的首要前提，这也是设计最重要的一条原则。本设计更加便于实现对步进电机的制动化控制。关键词：PLC 控制;三相六拍;步进电动机;电机正反转4目 录引 言 .1第 1 章 步进电动机和 P
3、LC 简介 .21.1 步进电动机 21.1.1 三相六拍步进电动机 21.2 PLC 简介 31.2.1 可编程控器概述 .31.2.2 可编程控制器的定义 31.2.3 PLC 的特点 3第 2 章 三相六拍步进电动机控制程序的设计 52.1 控制程序流程图及软件模块 .52.2 梯形图程序设计 72.2.1 CPU 的选择 .72.2.2 输入输出编址 .72.2.3 状态真值表 .72.3 梯形图程序 .82.4 三相六拍步进电机控制语句表 .122.5 程序的运行及调试 .142.6 I/O 接线图 16结 论 17设计总结 18谢 辞 .19参考文献 201引 言1.课 题 内 容
4、用 PLC 控制三相六拍电动机，控制要求如下：1.三相步进电动机有三个绕组：A,B,C,正转通电顺序为：AABBBCCCAA反转通电顺序为：ACACBCBABA2.要求能实现正，反转控制，而且正，反转切换无须经过停车步骤。3就有两种转速：1 号开关合上，则转过一个步距角需 0.5 秒。2 号开关合上，则转过一个步距角需 0.05 秒。4要求步进电动机转动 100 个步距角后自动停止运行。2.课题要求1列出输入输出点分配表；2画出 PLC 的输入输出设备的接线图；3.利用 STEP7-Micro/WIN32 软件完成梯形图，指令表的程序设计与调试；4完成课程设计说明书。3.设 计 思 想步 进
5、电 机 的 速 度 控 制 是 通 过 改 变 输 入 脉 冲 的 频 率 高 低 实 现 的 。 当 发 生 脉 冲 的 频率 减 小 时 ， 步 进 电 机 的 速 度 就 下 降 ;当 频 率 增 加 时 ， 速 度 就 加 快 。 还 可 以 用 过 频 率的 改 变 来 提 高 步 进 电 机 的 位 置 精 度 。以 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第 1 章 步进电动机和 PLC 简介1.1 步进电动机步 进 电 机 是 一 种 将 电 脉 冲 信 号 变 换 成 相 应 的 角 移
6、位 或 直 线 移 位 的 开 环 执 行 元 件 。给 定 一 个 电 脉 冲 信 号 ， 步 进 电 机 转 子 就 转 过 相 应 的 角 度 ， 这 个 角 度 就 称 为 该 步 进 电机 的 步 距 角 。 当 我 们 给 步 进 电 机 一 个 电 脉 冲 信 号 ， 步 进 电 机 就 转 过 一 个 步 距 角 。 以此 类 推 ， 连 续 给 定 脉 冲 信 号 ， 步 进 电 机 就 可 以 连 续 运 转 。 步 进 电 机 的 使 用 需 要 电 脉冲 信 号 发 生 器 的 配 合 ， 它 按 照 给 定 的 设 置 重 复 喂 为 步 进 点 输 送 电 脉 冲
7、信 号 ， 目 前 这种 信 号 大 多 数 由 可 编 程 控 制 器 (PLC)或 单 片 机 来 完 成 。1.1.1 三相六拍步进电动机三相六拍步进电机是一典型单定子、径向分相、反应式伺服电机。其结构原理图它与普通电机一样, 分为定子和转子两部分, 其中定子又分为定子铁芯和定子绕组。定子铁芯由电工钢片叠压而成。定子绕组绕制在定子铁芯上, 六个均匀分布齿上的线圈, 在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起, 构成一相控制绕组。三相步进电机可构成三相控制绕组, 若任一相绕组通电, 便形成一组定子磁极。在定子的每个磁极上, 即定子铁芯上的每个齿上开了五个小齿, 齿槽等宽 , 齿间夹角为 9
8、, 转子上没有绕组, 只有均匀分布的个 40 小齿, 齿槽也是等宽的, 齿间夹角也是, 与磁极上的小齿一致。此外, 三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开 13 齿距,。当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时, B 相磁极上的齿刚好超前或滞后转子齿轮 13 齿距角, C 相磁极齿超前或滞后转子齿 23 齿距角。三相六拍步进电机的工作原理；当A相绕组通电时, 转子的齿与定子AA上的齿对齐。若A相断电, B相通电, 由于磁力的作用, 转子的齿与定子BB上的齿对齐, 转子沿顺时针方向转过3, 如果控制线路不停地按ABCA的循环顺序控制步进电机绕组的通电、断电, 步进电机的转子便不停地顺时针转动
9、, 这是三相三拍。而当AB同时通电时, 由于两个滋力的作用, 定子绕组的通电状态每改变一次, 转子转过1.5，原理与三相三拍相同,从而形成三相六拍, 其通电顺序为：31.2 PLC 简介1.2.1 可编程控器概述可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个
10、人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC。1.2.2 可编程控制器的定义可编程控制器简称 PC（英文全称： Programmable Controller） ，它经历了可编程序矩阵控制器 PMC、可编程序顺序控制器 PSC、可编程序逻辑控制器 PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）和可编程序控制器 PC 几个不同时期。为与个人计算机（PC ）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。 1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准
11、草案中对 PLC 做了如下定义： “PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 ”1.2.3 PLC 的特点1.可 靠 性 高 ， 抗 干 扰 能 力 强 PLC 用 软 件 代 替 大 量 的 中 间 继 电 器 和 时 间 继 电 器 ， 仅 剩 下 与 输 入 和 输 出 有 关 的少 量 硬 件 ， 接
12、 线 可 减 少 到 继 电 器 控 制 系 统 的 1/101/100， 因 触 点 接 触 不 良 造 成 的故 障 大 为 减 少 。 高 可 靠 性 是 电 气 控 制 设 备 的 关 键 性 能 。 PLC 由 于 采 用 现 代 大 规 模 集 成 电 路 技 术 ，采 用 严 格 的 生 产 工 艺 制 造 ， 内 部 电 路 采 取 了 先 进 的 抗 干 扰 技 术 ， 具 有 很 高 的 可 靠 性 。例 如 三 菱 公 司 生 产 的 F 系 列 PLC 平 均 无 故 障 时 间 高 达 30 万 小 时 。 一 些 使 用 冗 余CPU 的 PLC 的 平 均 无 故
13、 障 工 作 时 间 则 更 长 。 从 PLC 的 机 外 电 路 来 说 ， 使 用 PLC 构成 控 制 系 统 ， 和 同 等 规 模 的 继 电 接 触 器 系 统 相 比 ， 电 气 接 线 及 开 关 接 点 已 减 少 到 数百 甚 至 数 千 分 之 一 ， 故 障 也 就 大 大 降 低 。 此 外 ， PLC 带 有 硬 件 故 障 自 我 检 测 功 能 ，4出 现 故 障 时 可 及 时 发 出 警 报 信 息 。 在 应 用 软 件 中 ， 应 用 者 还 可 以 编 入 外 围 器 件 的 故障 自 诊 断 程 序 ， 使 系 统 中 除 PLC 以 外 的 电
14、路 及 设 备 也 获 得 故 障 自 诊 断 保 护 。 这 样 ，整 个 系 统 具 有 极 高 的 可 靠 性 也 就 不 奇 怪 了 。 2.硬 件 配 套 齐 全 ， 功 能 完 善 ， 适 用 性 强 PLC 发 展 到 今 天 ， 已 经 形 成 了 大 、 中 、 小 各 种 规 模 的 系 列 化 产 品 ， 并 且 已 经 标准 化 、 系 列 化 、 模 块 化 ， 配 备 有 品 种 齐 全 的 各 种 硬 件 装 置 供 用 户 选 用 ， 用 户 能 灵 活方 便 地 进 行 系 统 配 置 ， 组 成 不 同 功 能 、 不 同 规 模 的 系 统 。 PLC 的
15、 安 装 接 线 也 很 方便 ， 一 般 用 接 线 端 子 连 接 外 部 接 线 。 PLC 有 较 强 的 带 负 载 能 力 ， 可 直 接 驱 动 一 般 的电 磁 阀 和 交 流 接 触 器 ， 可 以 用 于 各 种 规 模 的 工 业 控 制 场 合 。 除 了 逻 辑 处 理 功 能 以 外 ，现 代 PLC 大 多 具 有 完 善 的 数 据 运 算 能 力 ， 可 用 于 各 种 数 字 控 制 领 域 。 近 年 来 PLC的 功 能 单 元 大 量 涌 现 ， 使 PLC 渗 透 到 了 位 置 控 制 、 温 度 控 制 、 CNC 等 各 种 工 业 控制 中
16、。 加 上 PLC 通 信 能 力 的 增 强 及 人 机 界 面 技 术 的 发 展 ， 使 用 PLC 组 成 各 种 控 制系 统 变 得 非 常 容 易 。 3.易 学 易 用 ， 深 受 工 程 技 术 人 员 欢 迎 PLC 作 为 通 用 工 业 控 制 计 算 机 ， 是 面 向 工 矿 企 业 的 工 控 设 备 。 它 接 口 容 易 ， 编程 语 言 易 于 为 工 程 技 术 人 员 接 受 。 梯 形 图 语 言 的 图 形 符 号 与 表 达 方 式 和 继 电 器 电 路图 相 当 接 近 ， 只 用 PLC 的 少 量 开 关 量 逻 辑 控 制 指 令 就 可
17、 以 方 便 地 实 现 继 电 器 电 路 的功 能 。 为 不 熟 悉 电 子 电 路 、 不 懂 计 算 机 原 理 和 汇 编 语 言 的 人 使 用 计 算 机 从 事 工 业 控制 打 开 了 方 便 之 门 。 4.系 统 的 设 计 、 安 装 、 调 试 工 作 量 小 ， 维 护 方 便 ， 容 易 改 造 PLC 的 梯 形 图 程 序 一 般 采 用 顺 序 控 制 设 计 法 。 这 种 编 程 方 法 很 有 规 律 ， 很 容 易掌 握 。 对 于 复 杂 的 控 制 系 统 ， 梯 形 图 的 设 计 时 间 比 设 计 继 电 器 系 统 电 路 图 的 时
18、间 要少 得 多 。 PLC 用 存 储 逻 辑 代 替 接 线 逻 辑 ， 大 大 减 少 了 控 制 设 备 外 部 的 接 线 ， 使 控 制 系 统设 计 及 建 造 的 周 期 大 为 缩 短 ， 同 时 维 护 也 变 得 容 易 起 来 。 更 重 要 的 是 使 同 一 设 备 经过 改 变 程 序 改 变 生 产 过 程 成 为 可 能 。 这 很 适 合 多 品 种 、 小 批 量 的 生 产 场 合 。 5.体 积 小 ， 重 量 轻 ， 能 耗 低 以 超 小 型 PLC 为 例 ， 新 近 出 产 的 品 种 底 部 尺 寸 小 于 100mm， 仅 相 当 于 几
19、个 继 电器 的 大 小 ， 因 此 可 将 开 关 柜 的 体 积 缩 小 到 原 来 的 1/21/10。 它 的 重 量 小 于150g， 功 耗 仅 数 瓦 。 因 体 积 小 很 容 易 装 入 机 械 内 部 ， 是 实 现 机 电 一 体 化 的 理 想 控 制设 备 。5第 2 章 三相六拍步进电动机控制程序的设计2.1 控制程序流程图及软件模块由上述具体控制要求，可作出步进电机在启动运行时的程序框图，如下图所示。以工作框图为依据，结合考虑控制的具体要求，首先可将梯形图程序分成4个模块进行编程，即模块1：步进速度选择：模块2：起动，停止和清零;模块3：移位步进控制功能模块；模块
20、4：A,B,C三相套组对象控制。然后，在将模块进行连接，最后经过调试，完善，实现控制要求。控制程序流程图见下页图2.1。6图 2.1 控制程序流程图72.2 梯形图程序设计2.2.1 CPU 的选择本次设计要求正反转和高低速控制共五个输入接口，控制A,B，C三相绕组三个输出接口，所以选用CPU221, 六个输入，四个输出满足控制要求。2.2.2 输入输出编址控制步进电机的歌输入开关及控制A,B,C三相绕组工作的输出端在PLC中的I/O地址分配表如表2-1所示。控制信号 信号名称 元件名称 元件符号 地址编码步进电机正转启动按钮 常开按钮 SB1 I0.0步进电机反转启动按钮 常开按钮 SB2
21、I0.1停止及清零按钮 常开按钮 SB3 I0.2低速开关 常开按钮 SB4 I0.4输入信号高速开关 常开按钮 SB5 I0.5控制A相绕组 Q0.0控制B相绕组 Q0.1输出信号控制C相绕组 Q0.2表 2-1 I/O地址分配表2.2.3 状态真值表采用移位指令进行步进控制。每右移1位，电机前进一个步距角，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，从而得出三相绕组的控制逻辑关系式。正转时：A相 Q0.0=M0.5+M0.4+M0.0B相 Q0.1=M0.4+M0.3+M0.2C相 Q0.2=M0.2+M0.1+M0.0反转时：A相 Q0.0=M0.5+M0.4+M0.
22、0B相 Q0.1=M0.2+M0.1+M0.0C相 Q0.2=M0.4+M0.3+M0.2移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表如下表所示：8移位寄存器 正转 反转M0.5 M0.4 M0.3 M0.2 M0.1 M0.0 A B C A B C0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 00 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 10 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 10 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 10 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 00 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0表2-2 移位寄存器输出状态
23、及步进电机绕组状态真值表2.3 梯形图程序根据程序模块及三相绕组的控制逻辑关系，可绘出梯形图控制程序。程序如下：91011图 2.2 梯形图控制程序122.4 三相六拍步进电机控制语句表13图2.3 语句表142.5 程序的运行及调试1、启动s7_200模拟软件，配置cpu型号为221，如下图所示：2、载入程序，启动软件，打开监控，如下图所示：153、高速正转运行正常，如下图所示：4、低速正转运行正常，如下图所示：165、C20计数100拍后自动停车，如下图所示：2.6 I/O 接线图PLC接线图如下图所示：17结 论在进行程序设计时，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
24、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，最长可达两个多扫描周期，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，应使程序尽量简捷、紧凑。另一方面，同一个控制对象，根据生产的工艺流程的不同，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。以移位指令为步进控制的主体进行程序设计，可较好地满足上述设计要求。步进电机的控制程序设计，可有多种方法，比如，用顺控指令(SCRSCRT、SCRE)编程，程序没有复杂的逻辑关系，设计比较方便，但由于每一次步进切换都须经过对状态的开始、转换和结束处理，会令程序的网络数大大增加 ；或可用
25、许多的定时器实现各步距角的时间控制，以及变速时间间隔的设置等，则程序冗长、松散；也可以用定时器结合比较指令控制各步进时段，但会使各网络变得复杂，彼此之间的逻辑关系不甚清晰，程序也会比较长。而以移位指令作为步进控制的主体编程，获得的程序简捷、清晰，且程序模块间的逻辑关系十分明确。以移位指令作为步进控制主体编程的另一长处就是程序的柔性好，非常容易修改。如果要求电机在运行过程中步进速度可任意加、减，而不是仅有三档速度，此时任何变速实际上只是改变移位指令的执行速度，即改变移位脉冲的发生周期(VWl00)，其他所有网络均可不变。18设计总结机电传动与控制是一门侧重应用方向的学科。所以要多一点实践。不要看
26、不起小的项目，在其中你能总结出设计程序的逻辑思维方法，总结中不断进步。在学完 PLC 理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组同学的题目也都不相同。我做的是三相六拍步进电动机控制程序的设计与调试。由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，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。我们基本学会了 PLC 设计的步聚和基本方法。分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。通过这次设计实践。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
27、对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到 PLC 中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对 PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。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。达到这个水平你只能读懂编好的程序，并可以设计一些工程需要程序。在一些大型程序中还需要用到数据库的知识，PLC 入门很快但要不断进取努力。通过合作，我们的合
28、作意识得到加强，合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们大家就自己遇到的问题相互讨论，以解决个人不能解决的问题，同时我们还向别的同学请教，在这过程也提高了我们的表达能力。在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法。19谢 辞通过这两周来的忙碌和学习，本次课程设计已接近尾声，作为一个大学生的课程设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，在这里衷心感谢王老师的督促指导，以及一起学习的同学们的帮助，让我按时完成了这次课程设计。在课程设计过程中，我遇到了许许多多的困难。在此我
29、要感谢我的指导老师王宗才老师给我悉心的帮助和对我耐心而细致的指导。除了敬佩王老师的专业水平以外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。有了王老师的耐心指导我才得以解决课程设计中遇到的种种问题。同时感谢学院为我们提供课程设计的机会，能让我们更好的学以致用。在课程设计的过程中，我也受到了周围同学的帮助，让我的课程设计能更加轻松的完成如果没有他们的帮助，此次课程设计的完成将变得困难。他们在我设计中给了我许多宝贵的意见和建议。同时也要感谢自己遇到困难的时候没有一蹶不振，取而代之的是找到了最好的方法来解决问题。课程设计结束了，通过设计，我深刻领会到基础的重要性
30、，课程设计不仅仅能帮助学生检验这一门课程的学习成果，更多的是可以帮助我们更加清楚的认识自我，磨练我们的的意志与耐性，这会为学生日后的工作和生活带来很大的帮助 20参考文献1 程宪平.机电传动与控制 。华中科技大学出版社，2003.2 吴中俊，黄永红.可编程控制器原理及应用。机械工业出版社，2003.3 陈立定，吴玉香，苏开才.电气控制与可编程控制器。华南理工大学出版社.2001.4 陈立定.电器控制与可编程控制器.广东：华南理工大学出版社，2001.5 吴中俊、黄永红.可编程程序控制器原理及应用.北京：机械工业出版社，2003.6 于庆广.可编程控制原理与系统设计.北京：清华大学出版社.20047 史国生.电器控制与可编程控制器技术.北京：化学工业出版社，2003.8 李媛.PLC原理与应用.北京：北京邮电大学出版社，2009.9 王永华.现代电气控制及PLC应用技术.北京：北京航空航天大学出版社，2008.
