基于plc控制的步进电机控制系统设计毕业论文 精品

基于PLC的步进电机控制系统设计

机械电子专业 XXX

指导教师 XXX

摘要：以德国西门子公司小型可编程逻辑控制器S7—200为中央处理单元，以步进电机作为控制对象。介绍了PLC的概念原理以及控制的优点，步进电机的概念及工作原理，现状以及发展方向。PLC 与步进电动机一起结合起来有很高的研究价值与意义。本文在介绍步进电机控制特点的基础上,重点研究了步进电机的控制策略。设计了控制系统的硬件方案，并编写了相应的控制流程，测试了实际控制效果，并提出相应的整改措施，达到更加合理高效的目标。对于使用步进驱动器的步进控制系统，控制器对步进电机的控制关键在于控制脉冲信号的产生。介绍了使用该控制器产生控制脉冲信号的多种不同实现方法，进而实现对步进电机不同控制方法。

关键词：可编程逻辑控制器；步进电机；控制策略；控制流程

The Research Of Stepper Control Method Motor Based On PLC

Student majoring in Machinery and electronics specialty XXX

Tutor XXX

Abstract：With small Germany Siemens S7-200 programmable logic controller of the central processing unit, with stepping motor as control object. This paper introduces the concept of PLC principle and advantage of the control, the concept and working principle of stepper motor, the current situation and development direction. PLC combined with stepper motor has a high research value and significance. In this paper, based on the introduction to the characteristics of the stepper motor control, step motor control strategies are researched. Design the hardware of the control system scheme, and write the corresponding control process, test the actual control effect, and puts forward the corresponding rectification measures, achieve more reasonable and efficient. For using stepper drive stepper control system, the controller of stepper motor control is the key to control the generation of pulse signal. This paper introduces the control using the controller a variety of different implementation methods of the pulse signal, then the method to realize different control the stepper motor.

Key words:Programmable logic controller; Stepping motor; The control strategy; Control the process

引言

伴随着经济的快速发展，科技的日新月异，产品更新换代周期缩短，生产效率有了更高的要求，特别是计算机技术的广泛的推广和普及，信息产业发挥了它无与伦比的优越性和高效性，其中可编程逻辑器件就有了更多的用武之地。

可编程序控制器(programmable logic controller)，俗称PLC，它是一种基于数字运算操作的电子系统，现在在工业环境设计中它产生了很高的价值，并带来了很大的效益。PLC在工业控制领域得到了广泛的应用, 同时微电子技术和计算机技术的更新，其功能也相应的得到了很大的发展，PLC已经不再局限于逻辑控制、顺序控制的普通技术层面，现在已经深入到模拟量控制，甚至远程通信功能等高技术领域。所以PLC与CAD／CAM、机器人技术一起被称为当代工业自动化的三大支柱[1]。PLC不仅仅具有数据采集、逻辑处理功能，同时还兼具有高速脉冲输出和采集功能。随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。从技术水平上看，计算机技术的不断更新，技术平台的更加高效，可编程控制器可以以此作为平台，在设计和制造上更加事半功倍，特别是在运算速度、存储容量、智能化方面会变的更快、更大、更强；从产品规模上看，PLC 会基于计算机技术向超小型和超大型方向发展；从产品的配套性上看，PLC产品的种类会更丰富、规格更加完善，人机操作界面方面会变得更加人性化，强大的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从技术研发方面上看，很多国家都很重视PLC技术的开发设计，并将它的发展水平作为科技发展水平的一项很重要的方面，国际竞争会更加激烈，而激烈的市场效率竞争会出现少数几个强大的品牌垄断国际市场的局面，便会产生国际通用的编程语言，更加适合技术的交流和应用。随着计算机网络技术的迅猛发展和强大技术支持，可编程控制器将成为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，并将在工业及工业以外的许多领域发挥着越来越重要的作用，并创造着越来越大的效益[2]。

步进电机是机电一体化产品中扮演着很重要的角色，步进电动机经常用在精确定位控制和定速控制，它能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。步进电机作为常用的一种电气执行元件，由于其具有精度精准、惯性影响小、工作稳定，能在高精度快速开环控制的时候发挥它的优势，被广泛应用在各种不同的自动化控制领域…。

PLC与步进电机的结合控制模式在各种工业化生产、自动化控制系统和精密制造机械行业等领域的研究备受人们所关注和期待。本文以这样一个系统为对象，探讨使用PLC实现对步进电机控制的多种不同方法。

1概述

1.1 关于PLC和步进电机的状况

1.1.1 PLC方面PLC，即可编程控制器(Programmable logic Controller)的简称,它是基于计算机技术为基础的新型工业控制自动控制装置。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。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。

PLC的性能特点:配套齐全，功能完善，适用性强；可靠性高，抗干扰能力强；系统的设计、建造工作量小、维护方便、容易改造，易学易用，体积小，重量轻，能耗低，故深受工程技术人员欢迎。

1.1.2 步进电机方面步进电动机是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。步进电机在结构类型上分，有反应式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式(Hybrid Stepping,HS)三种[3]。

步进电机是一种将电子数字脉冲信号转变为机械运动的电磁增量运动器件。典型的电机绕组固定在定子上，而转子则由硬磁或软磁材料组成。当控制系统将一个电脉冲信号经功率装置加到定子绕组中，电机便会沿一定的方向旋转一步。脉冲的频率决定电机的转速。电机转动的角度与所输入的电脉冲个数成正比；所以，改变输入脉冲的个数就就能控制步进电机的转子运行角度。

步进电机有以下特点：运行角度正比于输入脉冲，便于开环运行，花费少；具有锁定转矩；定位精度高，并且没有累积误差；具有优良的起动、停止、反转响应；无电刷和可靠性高；可低速运行，直接驱动负载；不适宜的控制会引起振动；不宜运行于高速状态。

1.2 PLC控制步进电机研究的意义

基于步进电动机良好的控制和准确定位特性，被广泛应用在精确定位方面，诸如数控机床、绘图机、扎钢机、自动控制计算装置、自动记录仪表等自动控制领域。PLC作为简单化了的计算机，功能完备、灵活、通用、控制系统简单易懂，价格便宜，可现场修改程序，体积小、硬件维护方便，价格便宜等优点，在生产生活中广泛应用，带来了巨大效益方便。

由于将PLC作为控制器和把步进电机作为执行元件组成的运动控制系统具有相当的典型性和通用性，通过研究用PLC来控制步进电动机的，既可实现精确定位控制，又能降低控制成本，还有利于维护。以往的步进电动机需要靠驱动器来控制，随着技术的不断发展完善，PLC具有了通过自身输出脉冲直接步进电动机的功能，这样就有利于步进电动机的精确控制[4]。

1.3 本课题研究的内容

本课题主要研究三相步进电机的控制 ，使用的PLC 是西门子S7-200 CN 系列PLC-CPU 224XPCN AC/DC/RLY , 能对三相步进电动机的转速进行控制，能对三相步进电动机的步数进行控制实现调速功能，实现快速启动、快速停止、正反转互换控制及制动操作等。

2 步进电机和PLC 的结构及选用

2.1 PLC 的结构

PLC-CPU 224XPCN AC/DC/RLY 的基本结构情况为：CPU224XPCN ，24VDC 电源，24VDC 输入，24VDC 输出，6ES 7 214-2AD 23-0XB 8，有14个输入，10个输出共24个数字量I/O 端子点，2个输入，1个输出共3个模拟量I/O 端子点，可连接7个扩展模块，可扩展至168路数字量I/O 点，还可以实现38路模拟量I/O 点。22K 字节程序和数据存储空间，拥有独立的高速计数器(100KHz )达6个，并且还有100KHz 的高速脉冲输出2个，上升沿和下降沿边沿中断各4个， RS 485通讯/编程口2个，同时具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。PLC-CPU 224XPCN AC/DC/RLY 还具有其他的很多很有用的功能，例如内置模拟量I/O ，位控特性，数据记录及配方功能等，由于PLC-CPU 224XPCN AC/DC/RL Y 具有模拟量I/O 和强大控制能力的新型CPU ，所以可以很轻松的帮助步进电机实现精准的定位任务[5]

。 步进电机和PLC 必须要相匹配才能达到给定的系统参数；比如PLC 输出的最高频率决定了步进电机的最高转速等。具体计算如下：

脉冲当量=（步进电机步距角×螺距）/（360×传动速比）；

脉冲上限频率=（移动速度×步进电机细分数）/脉冲当量；

最大脉冲数量=（移动距离×步进电机细分数）/脉冲当量；

性能指标的提高，在步进电机工作方式的时候要尽量提高其性能指Tn ，调速范围D 等。

式中，Tn 是n 相同时通电时转矩，m 表示电机相数。

由上式可得其解决Tn 的办法是多采用多相通电的双拍制，少采用单相通电的单拍制，在步进电机工作方式的时候才能得到更高的提高。

由于本设计用PLC 控制三相步进电动机，故选用36BF 02型反应式步进电机作为控制对象，三相步进电动的步距角为?75.0或?5.1。

??????---=??????--=-=πθππθθθθm n e m m n Tj be n e be be n Tj Tn 1sin sin sin max 21sin 2sin 2sin

max

2.2 步进电机的结构特点

36BF 02型反应式步进电机的特点：反应式步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积；反应式步进电机外表允许的最高温度在摄氏?-9080；反应式步进电机的力矩会随转速的升高而下降；反应式步进电机在低速状态下也可以正常运转,但若高于极限速度后，就无法启动。

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脉冲频率值时，步进电机便不能正常启动。在有负载的情况下，启动频率会更低。如果要想步进电机实现较高的高速转动，那么脉冲频率就必须要有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频[6]。

(1)步进电机结构剖面图如图2-1所示。

图2-1步进电机结构剖面图

电机的定子齿有三个励磁绕阻，转子细分为均匀的40个小齿，励磁绕阻的几何轴线与转子齿轴线错开，距离分别为0、1/3τ、2/3τ (相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以τ表示)，那么A 相与齿1相对齐，B 相与齿2向右错开1/3τ，C 相与齿3向右错开2/3τ，A'与齿5相对齐，那么就是说A'就是A ，齿5就是齿1[7]。定转子的展开图如图2-2所示。

(2)旋转其通电状态。

当采用A-AB-B-BC-C-CA-A 这种导电状态时，原来每步1/3τ会变成每步1/6τ，甚至可以组合不同的二相电流，使其1/3τ变为1/12τ，乃至于1/24τ，这就是电机细分驱动的基本理论依据。很容易得出一般规律：如果电机定子上有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。

36BF 003型步进电动机的三个绕组分别用A 、B 、C 表示。

三拍运行时，正转通电顺序为A →B →C →A …，反转通电顺序为C →B →A →C …；或正转通电顺序为AB →BC →CA →AB …，反转通电顺序为AC →CB →BA →AC …。

六拍运行时，正转通电顺序为A →AB →B →BC →C →CA →A …；反转通电顺序为A →AC →C →CB →B →BA →A …。 A C B 定子

转子 励磁线圈

C