五相单双十拍步进电动机控制程序的设计与调试
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： 20094805xxxx
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(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 (1)
1.1 五相步进电动机的控制要求 (1)
1.2 程序设计的基本思路 (2)
第2章 PLC控制系统设计 (3)
2.1 PLC类型选择 (3)
2.2 I/O点的分配与编号 (3)
2.3 PLC外部接线图 (4)
2.4 绘制控制流程图 (5)
2.5 梯形图程序设计 (6)
2.5.1 步进控制设计 (6)
2.5.2梯形图 (8)
2.6程序指令表 (12)
第3章控制程序运行及调试 (16)
3.1电机低速转动时程序测试 (16)
3.2电机中速转动时程序测试 (17)
3.3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: A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EA；反转顺序: EA←E←DE←D←DC←C←BC←B←BA←A 2．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)。
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、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PLC 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SB1 I0.0 A相绕组 A Q0.0
0.5s低速运行开关SB2 I0.1 B相绕组 B Q0.1
0.1s中速运行开关SB3 I0.2 C相绕组 C Q0.2
0.02s高速运行开关SB4 I0.3 D相绕组 D Q0.3
控制转向开关QS I0.4 E相绕组 E Q0.4
2.3 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。
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表2-2。
表2-2 移位寄存器初值
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+M0.0
B相 Q0.1= M1.0+M0.7+M0.6
C 相Q0.2= M0.6+M0.5+M0.4
D相 Q0.3= M0.4+M0.3+M0.2
E相 Q0.4= M0.2+M0.1+M0.0
反转时
A相 Q0.0=M1.1+ M0.1+M0.0
B相 Q0.1= M0.3+M0.2+M0.1
C相 Q0.2=M0.5+M0.4+M0.3
D相 Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5
E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）
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）
2.5.2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，C21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 定时右移