毕业设计论文：基于PLC的步进电机的控制

毕业设计（论文）报告题 目 基于PLC的步进电机的控制基于PLC的步进电机的控制基于PLC的步进电机的控制摘要:小型PLC在编程，I/O扩展，通讯接口，开关量和模拟量的调节以及一些特殊功能模块如高速计数输入和脉冲输出的应用上已经基本满足用户的需求了。但随着应用需求及关联产品技术性能的提升，PLC将继续得已完善和发展。本文主要论述了步进电机的原理及驱动方法，并在S7-200 PLC的基础上，对步进电机进行控制。本设计选用PLC控制两相混合式步进电机，在PLC编程的基础上用按钮开关控制步进电机的启动、正转、反转等基本功能。关键词：S7-200 PLC、两相混合式步进电机、PLC编程Control of stepping motor based on PLCAbstract:In the field of programming, I/O expansion, Communication interface, adjustments of switches and simulation and some special function modules such as the application of high speed pulse input and output, the PLC has already met demands of users. But the PLC will continue to improve and develop, as the development of application requirements and related technical performance. This article chiefly discusses the principle and driven approach of the stepping motor, and how to control it based on the S7-200 PLC. The article is about how the PLC controlling the two-phase hybrid stepping motor. With the switch button, it can function as: start,positive rotation，inversion.Key words: S7-200 PLC. two-phase hybrid stepping motor, PLC programming.目录第一章 绪论11.1 概述11.2 S7-200PLC国内外现状和发展趋势21.3 论文的主要研究工作3第二章 西门子 S7-200 PLC42.1 PLC的产生42.2 PLC的特点42.2.1 编程方法简单易学42.2.2 硬件配套齐全，用户使用方便52.2.3 通用性强，适应性强52.2.4 可靠性高，抗干扰能力强52.2.5 系统的设计、安装、调试工作量少52.2.6 维修工作量小，维修方便52.2.7 体积小，能耗低52.3 PLC的系统构成62.3.1 主机62.3.2 I/O扩展机62.3.3 外部设备72.4高速脉冲输出功能72.4.1用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器72.4.2 PTO的使用92.5 PLC的选择102.5.1 CPU224102.5.2 工作方式102.5.3 扫描周期112.5.4 性能简介及特点112.6 PLC技术在步进电机控制中的应用12第三章 步进电机143.1 步进电机的特点143.2 步进电机的基本参数153.3 步进电机的工作原理及分类153.3.1 步进电机的工作原理163.3.2 步进电机的分类163.3.3 步进电机在工业中的应用17第四章S7-200 PLC控制步进电机设计184.1 步进电机的选择184.2 步进电机驱动电路设计194.2.1 驱动器的选择194.2.2 步进电机驱动技术194.2.3 驱动器参数设置224.3 PLC控制步进电机224.3.1接线实物图234.3.2 控制电机方向转动244.4 程序调试25第五章 论文总结28参考文献29致谢30附录31iv无锡科技职业学院毕业设计（论文）基于PLC的步进电机的控制第一章 绪论1.1 概述可编程控制器(简称 PLC) 是一种数字运算操作的电子系统，是在20 世纪 60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。PLC 自产生至今只有30多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。产生和发展过程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同:1）中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。2）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器1。步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输人脉冲个数成正比，其速度与单位时间内输人的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而广泛应用在数控机床、钟表、数字系统、程序控制系统及航天工业装置中。PLC 对步进电机也具有良好的控制能力，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，即可实现对步进电机的控制。因此如何实现PLC控制步进电机的通用控制电路设计方法有着实际生产意义。1.2 S7-200PLC国内外现状和发展趋势限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。小型PLC从产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；如今的小型PLC在编程，I/O扩展，通讯接口，开关量和模拟量的调节以及一些特殊功能模块如高速计数输入和脉冲输出的应用上已经基本满足用户的需求了。但随着应用需求及关联产品技术性能的提升（如步进驱动的脉冲响应频率及精度，HMI及关联系统的通讯功能），PLC将继续得已完善和发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。可以预期，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。1.3 论文的主要研究工作掌握步进电机的原理及其驱动方法，掌握西门子S7-200 PLC的原理与程序设计方法。掌握步进电机的电气控制试验系统的工作原理，基于该系统设计S7-200 PLC程序，实现主站PLC对步进电机的控制。第二章 西门子 S7-200 PLC2.1 PLC的产生传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。但是，这些控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是接线复杂、排除故障非常困难而且要花费大量的时间。如果工艺要求发生变化，控制柜内的元件和接线也需要作相应的变动，改造的工期长、费用高，通用性和灵活性较差。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断翻新，想寻找一种方法，以尽可能减少重新设计继电器控制系统和接线、降低成本、缩短时间，而考虑把计算机的功能完善、通用灵活等优点与继电器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，提出了研制PLC的基本设想：1.编程简单方便，可在现场修改程序；2.硬件维护方便，最好是插件式结构；3.可靠性要高于继电器控制装置；4.体积小于继电器控制装置；5.可将数据直接送入管理计算机；6.成本上可与继电器竞争；7.输入可以是交流115V；8.输入为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀；9.扩展时，原有系统只需做很小的改动；10.用户程序存储器容量器容量至少可以扩展到4K。根据以上设想和要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的汽车生产线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。从此，这一更新技术就以很快的速度发展起来，现代的PLC已成为现代工业控制的三大支柱（PLC，机器人和CADCAM）之一。2.2 PLC的特点2.2.1 编程方法简单易学 考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的传统读图习惯和应用微机的实际水平，PLC配备有他们最容易接受和掌握的梯形图语言。梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图非常接近。而且某些仅有开关量逻辑控制功能的PLC只有十几条指令。通过阅读PLC的使用手册或短期培训，电气技术人员或技术工人只要几天的时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。2.2.2 硬件配套齐全，用户使用方便 PLC配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作硬件装置。用户在硬件方面的设计工作只是确定PLC的硬件配置和外部接线。PLC的安装接线也很方便。2.2.3 通用性强，适应性强 PLC的生产具有系列化和模块化特点，硬件配置相当灵活，可以很方便地组成能满足各种控制要求的控制系统。组成系统后，如果工艺变化，可以通过修改用户程序，方便快速地适应变化。2.2.4 可靠性高，抗干扰能力强 绝大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。PLC的平均无故障间隔时间高，如日本三菱公司的F1、F2系列PLC的平均无故障间隔时间长达30万小时，这是一般微机所不能比拟的。2.2.5 系统的设计、安装、调试工作量少PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序很容易掌握，设计和调试梯形图所花的时间比设计继电器系统电路图花的时间要少得多。2.2.6 维修工作量小，维修方便PLC的故障率很低，并且有完善的诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的指示灯或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因。用更换模块的方法可以迅速地排除PLC的故障。2.2.7 体积小，能耗低以F1意40M型PLC为例，其外形尺寸为305ll0110mm，功耗小于25VA。由于体积小，PLC很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。2.3 PLC的系统构成PLC实际上是一种工业控制计算机。它的硬件结构与一般微机相似，主要由主机、I/O扩展机、外围设备三部分组成，2.3.1 主机主机由CPU（微处理器）、存储器、输入输出单元、电源等部分组成。CPU是PLC的核心，其作用类似于人的大脑。它能够识别用户按特定格式输入的指令，并按照指令完成预定的控制任务。另外，它还能识别用户所输入的指令序列的格式和语法错误，还具有系统测试与诊断功能。PLC的存储器有两种：系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序存储器主要用于存放系统正常工作所必须的程序，如系统诊断程序、键盘输入处理程序、指令解释程序、监控程序等。这些程序与用户无直接关系，已由厂家直接固化进EPROM中，不能由用户直接存取、修改。用户程序存储器主要存放用户程序（用户利用PLC的编程语言按不同控制要求所编制的控制程序或数据，这相当于设计继电器控制系统硬接线的控制电路图），可通过编程器进行修改。输入输出（IO）单元是PLC与输入控制信号和被控制设备连接起来的部件，输入单元接收从开关、按钮、继电器触点和传感器等输入的现场控制信号，并将这些信号转换成CPU能接收和处理的数字信号。输出单元接收经过CPU处理过的输出数字信号，并把它转换成被控制设备或显示装置所能接收的电压或电流信号，以驱动接触器、电磁阀和指示器件等。电源部件是把交流电转换成直流电的装置，它向PLC提供所需要的直流电源。电源组件具有很高的抗干扰能力，适合工业现场使用，供电稳定、安全可靠。电源组件内还装有备用锂电池，以保证在断电时保存必要的信息。PLC还有各种接口，PLC通过这些接口可与监视器、打印机、其它的PLC或计算机等相连。2.3.2 I/O扩展机每种PLC都有与主机相配的扩展模块，用来扩展输入、输出点数，以便根据控制要求灵活组合系统。PLC扩展模块内不设CPU，仅对I/O通道进行扩展，不能脱离主机独立实现系统的控制要求。2.3.3 外部设备外部设备包括编程器、盒式磁带机、打印机、EPROM写入器、图形监控系统等。其中编程器是PLC必不可少的重要外围设备，由键盘、显示器、工作方式选择开关和外存储器接插口等部件组成，主要用于对用户程序进行输入、检查、调试和修改，并用来监视PLC的工作状态。编程器有简易型和智能型两类。简易型编程器只能联机编程，且需将梯形图转化为助记符后才能送入。智能型编程器又称图形编程器，它既可联机编程，又可脱机编程，具有图形显示功能，可直接输入梯形图和通过屏幕对话，但价格较贵。现在也可在个人计算机上填加适当的硬件接口，利用生产厂家提供的编程软件包就可将计算机作为编程器使用，而且还可以在计算机上实现模拟调试。PLC与打印机相连可将过程信息，系统参数等输出打印。当与监视器相连时可将控制过程图象显示出来。当PLC与PLC相连时，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。当PLC与计算机相连时，可组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。2.4高速脉冲输出功能脉冲输出（PLS）指令功能为：使能有效时，检查用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作。指令格式如表2-1所示。表2-1 脉冲输出（PLS）指令格式LADSTL操作数及数据类型PLS QQ：常量（0或1）数据类型字2.4.1用于脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器（1）控制字节和参数的特殊存储器每个PTO/PWM发生器都有：一个控制字节（8位）、一个脉冲计数值（无符号的32位数值）和一个周期时间和脉宽值（无符号的16位数值）。这些值都放在特定的特殊存储区（SM），如表4所示。执行PLS指令时，S7-200读这些特殊存储器位（SM），然后执行特殊存储器位定义的脉冲操作，即对相应的PTO/PWM发生器进行编程。表2-2 脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器Q0.0和Q0.1对PTO/PWM输出的控制字节Q0.0Q0.1说明SM67.0SM77.0PTO/PWM刷新周期值 0 ：不刷新；1 ：刷新SM67.1SM77.1PWM刷新脉冲宽度值 0 ：不刷新；1：刷新SM67.2SM77.2PTO刷新脉冲计数值 0 ：不刷新；1：刷新SM67.3SM77.3PTO/PWM时基选择 0 ：1 s； 1：1msSM67.4SM77.4PWM更新方法 0 ：异步更新；1：同步更新SM67.5SM77.5PTO操作 0 ：单段操作；1：多段操作SM67.6SM77.6PTO/PWM模式选择 0 ：选择PTO 1 ： 选择PWMSM67.7SM77.7PTO/PWM允许 0：禁止； 1 ：允许Q0.0和Q0.1对PTO/PWM输出的周期值Q0.0Q0.1说明SMW68SMW78PTO/PWM周期时间值（范围：2至 65 535）Q0.0和Q0.1对PTO/PWM输出的脉宽值Q0.0Q0.1说明SMW70SMW80PWM脉冲宽度值（范围：0至65 535）Q0.0和Q0.1对PTO脉冲输出的计数值Q0.0Q0.1说明SMD72SMD82PTO脉冲计数值（范围：1至4 294 967 295）Q0.0和Q0.1对PTO脉冲输出的多段操作Q0.0Q0.1说明SMB166SMB176段号（仅用于多段PTO操作），多段流水线PTO运行中的段的编号SMW168SMW178包络表起始位置，用距离V0的字节偏移量表示（仅用于多段PTO操作）Q0.0和Q0.1的状态位Q0.0Q0.1说明SM66.4SM76.4PTO包络由于增量计算错误异常终止 0 ：无错；1 ： 异常终止SM66.5SM76.5PTO包络由于用户命令异常终止 0 ： 无错；1 ：异常终止SM66.6SM76.6PTO流水线溢出 0 ：无溢出； 1 ： 溢出SM66.7SM76.7PTO空闲 0 ：运行中； 1 ： PTO空闲通过修改脉冲输出（Q0.0或Q0.1）的特殊存储器SM区（包括控制字节），既更改PTO或PWM的输出波形，然后再执行PLS指令。注意：所有控制位、周期、脉冲宽度和脉冲计数值的默认值均为零。向控制字节（SM67.7或SM77.7）的PTO/PWM允许位写入零，然后执行PLS指令，将禁止PTO或PWM波形的生成。（2）状态字节的特殊存储器除了控制信息外，还有用于PTO功能的状态位，如表2所示。程序运行时，根据运行状态使某些位自动置位。可以通过程序来读取相关位的状态，用此状态作为判断条件，实现相应的操作。2.4.2 PTO的使用PTO是可以指定脉冲数和周期的占空比为50%的高速脉冲串的输出。状态字节中的最高位（空闲位）用来指示脉冲串输出是否完成。可在脉冲串完成时起动中断程序，若使用多段操作，则在包络表完成时起动中断程序。（1）周期和脉冲数周期范围从50微秒至65,535微秒或从2毫秒至65,535毫秒，为16位无符号数，时基有s和ms两种，通过控制字节的第三位选择。注意： 如果周期2.5usDIR方向控制信号改变电机方向。-5.5V低电平0.3V,3.6V高电平5.5V,脉宽2.5usVCC输入信号光电隔离正端接+5V供电电源，+5V+24均可驱动，高于+5V需接限流电阻。EN电机释放信号有效（低电平）时关断电机线圈电流，驱动停止工作，电机处于自由状态。表0-4 输入信号接口功能表32