基于PLC的步進電機的控制畢業(yè)設計

1、 畢業(yè)設計（論文）報告題 目 基于plc的步進電機的控制院 系 中德機電學院 專 業(yè) 電氣自動化技術 班 級 1001 學生姓名 學 號 100101287 指導教師 * 2013年4 月 基于plc的步進電機的控制基于plc的步進電機的控制摘要:小型plc在編程，i/o擴展，通訊接口，開關量和模擬量的調節(jié)以及一些特殊功能模塊如高速計數(shù)輸入和脈沖輸出的應用上已經(jīng)基本滿足用戶的需求了。但隨著應用需求及關聯(lián)產(chǎn)品技術性能的提升，plc將繼續(xù)得已完善和發(fā)展。本文主要論述了步進電機的原理及驅動方法，并在s7-200 plc的基礎上，對步進電機進行控制。本設計選用plc控制兩相混合式步進電機，在plc編程

2、的基礎上用按鈕開關控制步進電機的啟動、正轉、反轉等基本功能。關鍵詞：s7-200 plc、兩相混合式步進電機、plc編程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 a

3、nd 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

4、 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.目錄第一章 緒論11.1 概述11.2 s7-200plc國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢21.3 論文的主

5、要研究工作3第二章 西門子 s7-200 plc42.1 plc的產(chǎn)生42.2 plc的特點42.2.1 編程方法簡單易學42.2.2 硬件配套齊全，用戶使用方便52.2.3 通用性強，適應性強52.2.4 可靠性高，抗干擾能力強52.2.5 系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少52.2.6 維修工作量小，維修方便52.2.7 體積小，能耗低52.3 plc的系統(tǒng)構成62.3.1 主機62.3.2 i/o擴展機62.3.3 外部設備72.4高速脈沖輸出功能72.4.1用于脈沖輸出（q0.0或q0.1）的特殊存儲器72.4.2 pto的使用92.5 plc的選擇102.5.1 cpu224102.5.

6、2 工作方式102.5.3 掃描周期112.5.4 性能簡介及特點112.6 plc技術在步進電機控制中的應用12第三章 步進電機143.1 步進電機的特點143.2 步進電機的基本參數(shù)153.3 步進電機的工作原理及分類153.3.1 步進電機的工作原理163.3.2 步進電機的分類163.3.3 步進電機在工業(yè)中的應用17第四章s7-200 plc控制步進電機設計184.1 步進電機的選擇184.2 步進電機驅動電路設計194.2.1 驅動器的選擇194.2.2 步進電機驅動技術194.2.3 驅動器參數(shù)設置224.3 plc控制步進電機224.3.1接線實物圖234.3.2 控制電機方向

7、轉動244.4 程序調試25第五章 論文總結28參考文獻29致謝30附錄31iv無錫科技職業(yè)學院畢業(yè)設計（論文）基于plc的步進電機的控制第一章 緒論1.1 概述可編程控制器(簡稱 plc) 是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是在20 世紀 60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國科學家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲器，其內部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、計數(shù)和算術運算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關設備，都是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴充其功能的原則設計的。plc 自產(chǎn)生至今只有30多年的歷史，卻得到了迅速發(fā)展和廣泛應用，成為當代工

8、業(yè)自動化的主要支柱之一。產(chǎn)生和發(fā)展過程現(xiàn)代社會要求生產(chǎn)廠家對市場的需求做出迅速的反應，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質量的產(chǎn)品。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無法滿足這一要求，迫使人們去尋找一種新的控制裝置取而代之。plc實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同:1）中央處理單元(cpu)是plc的控制中樞。它按照plc系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、i/o以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當plc投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入i/o映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中

9、逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結果送入i/o映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將i/o映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。 為了進一步提高plc的可靠性，近年來對大型plc還采用雙cpu構成冗余系統(tǒng)，或采用三cpu的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個cpu出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。2）存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器1。步進電機是一種將脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進電機的輸出位移量與輸人脈沖個數(shù)成正比，其速度與單位時間內輸

10、人的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比，其轉向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電的相序，便可控制步進電機的輸出位移量、速度和方向。步進電機具有較好的控制性能，其啟動、停車、反轉及其它任何運行方式的改變都可在少數(shù)脈沖內完成，且可獲得較高的控制精度，因而廣泛應用在數(shù)控機床、鐘表、數(shù)字系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)及航天工業(yè)裝置中。plc 對步進電機也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運動控制功能，即可實現(xiàn)對步進電機的控制。因此如何實現(xiàn)plc控制步進電機的通用控制電路設計方法有著實際生產(chǎn)意義。1.2 s7-200plc國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢限于當時的元器件條

11、件及計算機發(fā)展水平，早期的plc主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。20世紀70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使plc增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的plc為微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結合的產(chǎn)物。個人計算機（簡稱pc）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為programmable lo

12、gic controller（plc）。20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、pid功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。上世紀80年代至90年代中期，是plc發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040。在這時期

13、，plc在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高，plc逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的dcs系統(tǒng)。20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。小型plc從產(chǎn)生到現(xiàn)在，實現(xiàn)了接

14、線邏輯到存儲邏輯的飛躍；其功能從弱到強，實現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進步；如今的小型plc在編程，i/o擴展，通訊接口，開關量和模擬量的調節(jié)以及一些特殊功能模塊如高速計數(shù)輸入和脈沖輸出的應用上已經(jīng)基本滿足用戶的需求了。但隨著應用需求及關聯(lián)產(chǎn)品技術性能的提升（如步進驅動的脈沖響應頻率及精度，hmi及關聯(lián)系統(tǒng)的通訊功能），plc將繼續(xù)得已完善和發(fā)展。我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設備及產(chǎn)品中不斷擴大了plc的應用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器?？梢灶A期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，plc在我

15、國將有更廣闊的應用天地。1.3 論文的主要研究工作掌握步進電機的原理及其驅動方法，掌握西門子s7-200 plc的原理與程序設計方法。掌握步進電機的電氣控制試驗系統(tǒng)的工作原理，基于該系統(tǒng)設計s7-200 plc程序，實現(xiàn)主站plc對步進電機的控制。第二章 西門子 s7-200 plc2.1 plc的產(chǎn)生傳統(tǒng)的繼電器控制具有結構簡單、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中應用甚廣。但是，這些控制裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是接線復雜、排除故障非常困難而且要花費大量的時間。如果工藝要求發(fā)生變化，控制柜內的元件和接線也需要作相應的變動，改造的工期長、費用高，通用性和靈活性較差。1

16、968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司（gm），為了適應汽車型號的不斷翻新，想尋找一種方法，以盡可能減少重新設計繼電器控制系統(tǒng)和接線、降低成本、縮短時間，而考慮把計算機的功能完善、通用靈活等優(yōu)點與繼電器控制的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結合起來，制成一種通用控制裝置，提出了研制plc的基本設想：1.編程簡單方便，可在現(xiàn)場修改程序；2.硬件維護方便，最好是插件式結構；3.可靠性要高于繼電器控制裝置；4.體積小于繼電器控制裝置；5.可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機；6.成本上可與繼電器競爭；7.輸入可以是交流115v；8.輸入為交流115v，2a以上，能直接驅動電磁閥；9.擴展時，原有系統(tǒng)只需

17、做很小的改動；10.用戶程序存儲器容量器容量至少可以擴展到4k。根據(jù)以上設想和要求，1969年美國數(shù)字設備公司（dec）研制出世界上第一臺可編程控制器，并在通用汽車公司的汽車生產(chǎn)線上試用成功，從而開創(chuàng)了工業(yè)控制的新局面。從此，這一更新技術就以很快的速度發(fā)展起來，現(xiàn)代的plc已成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（plc，機器人和cadcam）之一。2.2 plc的特點2.2.1 編程方法簡單易學 考慮到企業(yè)中一般電氣技術人員和技術工人的傳統(tǒng)讀圖習慣和應用微機的實際水平，plc配備有他們最容易接受和掌握的梯形圖語言。梯形圖語言的電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖非常接近。而且某些僅有開關量邏輯控制功能的

18、plc只有十幾條指令。通過閱讀plc的使用手冊或短期培訓，電氣技術人員或技術工人只要幾天的時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。2.2.2 硬件配套齊全，用戶使用方便 plc配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶不必自己設計和制作硬件裝置。用戶在硬件方面的設計工作只是確定plc的硬件配置和外部接線。plc的安裝接線也很方便。2.2.3 通用性強，適應性強 plc的生產(chǎn)具有系列化和模塊化特點，硬件配置相當靈活，可以很方便地組成能滿足各種控制要求的控制系統(tǒng)。組成系統(tǒng)后，如果工藝變化，可以通過修改用戶程序，方便快速地適應變化。2.2.4 可靠性高，抗干擾能力強 絕大多數(shù)用戶都將可靠性作

19、為選擇控制裝置的首要條件。plc采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。plc的平均無故障間隔時間高，如日本三菱公司的f1、f2系列plc的平均無故障間隔時間長達30萬小時，這是一般微機所不能比擬的。2.2.5 系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少plc用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，控制柜的設計、安裝、接線工作量大大減少。plc的梯形圖程序很容易掌握，設計和調試梯形圖所花的時間比設計繼電器系統(tǒng)電路圖花的時間要少得多。2.2.6 維修工作量小，維修方便plc的故障率很低，并且有完善的診斷和顯示功能。plc或外部的輸入裝置和執(zhí)

20、行機構發(fā)生故障時，可以根據(jù)plc上的指示燈或編程器提供的信息迅速地查明故障的原因。用更換模塊的方法可以迅速地排除plc的故障。2.2.7 體積小，能耗低以f1意40m型plc為例，其外形尺寸為305ll0110mm，功耗小于25va。由于體積小，plc很容易裝入機械設備內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想的控制設備。2.3 plc的系統(tǒng)構成plc實際上是一種工業(yè)控制計算機。它的硬件結構與一般微機相似，主要由主機、i/o擴展機、外圍設備三部分組成，2.3.1 主機主機由cpu（微處理器）、存儲器、輸入輸出單元、電源等部分組成。cpu是plc的核心，其作用類似于人的大腦。它能夠識別用戶按特定格式輸入的指令

21、，并按照指令完成預定的控制任務。另外，它還能識別用戶所輸入的指令序列的格式和語法錯誤，還具有系統(tǒng)測試與診斷功能。plc的存儲器有兩種：系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。系統(tǒng)程序存儲器主要用于存放系統(tǒng)正常工作所必須的程序，如系統(tǒng)診斷程序、鍵盤輸入處理程序、指令解釋程序、監(jiān)控程序等。這些程序與用戶無直接關系，已由廠家直接固化進eprom中，不能由用戶直接存取、修改。用戶程序存儲器主要存放用戶程序（用戶利用plc的編程語言按不同控制要求所編制的控制程序或數(shù)據(jù)，這相當于設計繼電器控制系統(tǒng)硬接線的控制電路圖），可通過編程器進行修改。輸入輸出（io）單元是plc與輸入控制信號和被控制設備連接起來的部件，輸入

22、單元接收從開關、按鈕、繼電器觸點和傳感器等輸入的現(xiàn)場控制信號，并將這些信號轉換成cpu能接收和處理的數(shù)字信號。輸出單元接收經(jīng)過cpu處理過的輸出數(shù)字信號，并把它轉換成被控制設備或顯示裝置所能接收的電壓或電流信號，以驅動接觸器、電磁閥和指示器件等。電源部件是把交流電轉換成直流電的裝置，它向plc提供所需要的直流電源。電源組件具有很高的抗干擾能力，適合工業(yè)現(xiàn)場使用，供電穩(wěn)定、安全可靠。電源組件內還裝有備用鋰電池，以保證在斷電時保存必要的信息。plc還有各種接口，plc通過這些接口可與監(jiān)視器、打印機、其它的plc或計算機等相連。2.3.2 i/o擴展機每種plc都有與主機相配的擴展模塊，用來擴展輸入

23、、輸出點數(shù)，以便根據(jù)控制要求靈活組合系統(tǒng)。plc擴展模塊內不設cpu，僅對i/o通道進行擴展，不能脫離主機獨立實現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。2.3.3 外部設備外部設備包括編程器、盒式磁帶機、打印機、eprom寫入器、圖形監(jiān)控系統(tǒng)等。其中編程器是plc必不可少的重要外圍設備，由鍵盤、顯示器、工作方式選擇開關和外存儲器接插口等部件組成，主要用于對用戶程序進行輸入、檢查、調試和修改，并用來監(jiān)視plc的工作狀態(tài)。編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型編程器只能聯(lián)機編程，且需將梯形圖轉化為助記符后才能送入。智能型編程器又稱圖形編程器，它既可聯(lián)機編程，又可脫機編程，具有圖形顯示功能，可直接輸入梯形圖和通過屏幕對話，但

24、價格較貴。現(xiàn)在也可在個人計算機上填加適當?shù)挠布涌?，利用生產(chǎn)廠家提供的編程軟件包就可將計算機作為編程器使用，而且還可以在計算機上實現(xiàn)模擬調試。plc與打印機相連可將過程信息，系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印。當與監(jiān)視器相連時可將控制過程圖象顯示出來。當plc與plc相連時，可組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡，實現(xiàn)更大規(guī)?？刂?。當plc與計算機相連時，可組成多級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結合的綜合系統(tǒng)。2.4高速脈沖輸出功能脈沖輸出（pls）指令功能為：使能有效時，檢查用于脈沖輸出（q0.0或q0.1）的特殊存儲器位（sm），然后執(zhí)行特殊存儲器位定義的脈沖操作。指令格式如表2-1所示。表2-1 脈沖輸出（pls）指令格

25、式ladstl操作數(shù)及數(shù)據(jù)類型pls qq：常量（0或1）數(shù)據(jù)類型字2.4.1用于脈沖輸出（q0.0或q0.1）的特殊存儲器（1）控制字節(jié)和參數(shù)的特殊存儲器每個pto/pwm發(fā)生器都有：一個控制字節(jié)（8位）、一個脈沖計數(shù)值（無符號的32位數(shù)值）和一個周期時間和脈寬值（無符號的16位數(shù)值）。這些值都放在特定的特殊存儲區(qū)（sm），如表4所示。執(zhí)行pls指令時，s7-200讀這些特殊存儲器位（sm），然后執(zhí)行特殊存儲器位定義的脈沖操作，即對相應的pto/pwm發(fā)生器進行編程。表2-2 脈沖輸出（q0.0或q0.1）的特殊存儲器q0.0和q0.1對pto/pwm輸出的控制字節(jié)q0.0q0.1說明sm6

26、7.0sm77.0pto/pwm刷新周期值 0 ：不刷新；1 ：刷新sm67.1sm77.1pwm刷新脈沖寬度值 0 ：不刷新；1：刷新sm67.2sm77.2pto刷新脈沖計數(shù)值 0 ：不刷新；1：刷新sm67.3sm77.3pto/pwm時基選擇 0 ：1 s； 1：1mssm67.4sm77.4pwm更新方法 0 ：異步更新；1：同步更新sm67.5sm77.5pto操作 0 ：單段操作；1：多段操作sm67.6sm77.6pto/pwm模式選擇 0 ：選擇pto 1 ： 選擇pwmsm67.7sm77.7pto/pwm允許 0：禁止； 1 ：允許q0.0和q0.1對pto/pwm輸出的周期值q0.0q0.1說明smw68smw78pto/pwm周期時間值（范圍：2至 65 535）q0.0和q0.1對pto/pwm輸出的脈寬值q0.0q0.1說明smw70smw80pwm脈沖寬度值（范圍：0至65 535）q0.0和q0.1對pto脈沖輸出的計數(shù)值q0.0q0.1說明smd72smd82pto脈沖計數(shù)值（范圍