基于PLC步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于plc步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要本文所要控制的電機(jī)為五相步進(jìn)電機(jī)，采用可編程控制器對(duì)其控制，對(duì)設(shè)計(jì)原理及方法分析總結(jié)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)有快速起停、定位和精確步進(jìn)等，日常的生產(chǎn)和生活中比較普遍，控制精度高。在工業(yè)過(guò)程控制和儀器儀表控制方面，應(yīng)用的很廣泛。本文還介紹的PLC控制系統(tǒng)，其包括硬件結(jié)構(gòu)還有原理以及PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則方法。以五相電機(jī)控制為例，闡述了西門(mén)子PLC在電機(jī)控制中的運(yùn)用。其基本原理、硬件準(zhǔn)備和軟件的設(shè)計(jì)，在文中都有體現(xiàn)。采用的細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法，可以達(dá)到極高的精度并提高穩(wěn)定性，有利于電機(jī)運(yùn)行品質(zhì)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的改善。本文內(nèi)容包含PIC外部接線圖、I/O地址分配、控制流程圖、驅(qū)動(dòng)電路

2、選擇、細(xì)分驅(qū)動(dòng)分析、梯形圖等，并且上位機(jī)監(jiān)控界面是運(yùn)用組態(tài)王軟件編寫(xiě)。關(guān)鍵詞：S7-200； 五相步進(jìn)電機(jī)； 梯形圖； 細(xì)分驅(qū)動(dòng)； 組態(tài)王IDesign of Stepping Motor Control System Based on PLC Abstract The motor controlled in this paper is a five phase stepper motor. It is controlled by a programmable controller. The design principle and method are analyzed and summar

3、ized. Stepping motor has the advantages of fast start stop, positioning and accurate stepping, etc., and the daily production and life are more common, and the control accuracy is high. It is widely used in industrial process control and instrument control. PLC control system is introduced, includin

4、g hardware structure and principle, and the principle and method of PLC control system design. Taking five phase motor control as an example, the application of SIEMENS PLC in motor control is expounded. Its basic principle, hardware preparation and software design are embodied in this article. The

5、subdivision drive method can achieve high accuracy and stability, and is favorable for motor quality and torque fluctuation. The contents of this paper include PIC external wiring diagram, I/O address allocation, control flow chart, drive circuit selection, subdivision drive analysis, ladder diagram

6、 and so on, and the upper computer monitoring interface is written by Kingview software.Key words S7-200; Five-phase stepping motor; Ladder diagram; Subdivision drive ; Configuration king目 錄1引言11.1步進(jìn)電機(jī)的介紹11.2 步進(jìn)電機(jī)的分類11.3 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用21.4 步進(jìn)電機(jī)的各種控制及比較21.4.1環(huán)形分配器步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)21.4.2 單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)31.4.3 可編程序控制器步進(jìn)電機(jī)

7、控制系統(tǒng)31.4.4幾種控制系統(tǒng)的性能比較41.5 PLC選型要求42 電氣控制系統(tǒng)方案的選擇及硬件設(shè)計(jì)62.1 可編程控制器的原理62.2 可編程控制器的選型72.3控制方式的選擇82.4五相步進(jìn)電機(jī)的幾種運(yùn)行方式9 2.4.1單五拍運(yùn)行方式92.4.2十拍運(yùn)行方式102.4.3雙五拍運(yùn)行方式112.5控制分析112.5.1功能要求112.5.2 I/O地址分配表122.6 PLC外部接線圖132.7 步進(jìn)電機(jī)時(shí)序圖133 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的選擇143.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的分類143.2.細(xì)分電路的分析和選擇164 系統(tǒng)設(shè)計(jì)194.1步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)及分析194.2 PLC 程序設(shè)計(jì)204.

8、2.1 步進(jìn)控制設(shè)計(jì)204.2.2 梯形圖設(shè)計(jì)225 組態(tài)軟件監(jiān)控設(shè)計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行245.1 組態(tài)軟件仿真實(shí)現(xiàn)的意義245.2 組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)步驟245.3 系統(tǒng)的仿真運(yùn)行27總結(jié)28致 謝29參考文獻(xiàn)30附 錄31附錄A 程序梯形圖31附錄B 程序語(yǔ)句表36附錄C 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)圖40V高健桀：基于PLC步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 引言1.1步進(jìn)電機(jī)的介紹步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)或階躍電機(jī)，電機(jī)對(duì)傳輸來(lái)的電脈沖信號(hào)的分析和轉(zhuǎn)換而進(jìn)行相應(yīng)的角位移和線位移。在電機(jī)的負(fù)載沒(méi)有超出它理論值情況下，傳輸來(lái)的電脈沖信號(hào)直接決定電機(jī)運(yùn)行的速度和位移，此時(shí)電機(jī)速度是不受其他因素影響。在這種情況下，我們可以很輕易對(duì)電機(jī)

9、進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)電脈沖信號(hào)的大小、強(qiáng)度和脈沖數(shù)的改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度和線位移進(jìn)行控制。當(dāng)傳輸來(lái)的電脈沖信號(hào)被步進(jìn)電機(jī)接收到后，它會(huì)按照預(yù)先設(shè)定進(jìn)行一個(gè)角度旋轉(zhuǎn)，這個(gè)動(dòng)作我們將其稱為“步距腳”。它旋轉(zhuǎn)的角度是固定的。以傳輸來(lái)的電脈沖的個(gè)數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)角位移進(jìn)行有效的控制，以傳輸來(lái)的電脈沖的頻率來(lái)控制電機(jī)的加速度和速度。 1.2 步進(jìn)電機(jī)的分類步進(jìn)電機(jī)從構(gòu)造角度來(lái)分有以下幾種：反應(yīng)式、永磁式和混合式。反應(yīng)式：它是由定子和轉(zhuǎn)子組成，其中定子上有繞組，轉(zhuǎn)子是通過(guò)軟磁材料構(gòu)成。所以反應(yīng)式具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、成本比較低、步距角小，最好時(shí)候可以達(dá)到；但是也存在著缺點(diǎn)，比如它的動(dòng)態(tài)性能差、工作效率比較低、容易發(fā)

10、熱且發(fā)熱程度比較大，不容易確保它的可靠性。永磁式：永磁式步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的材料是永磁材料，它的電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子的極數(shù)相同。它的動(dòng)態(tài)性能很好，輸出力矩也比較大。但是它也有其缺陷，即運(yùn)行時(shí)的精度不太高?；旌鲜剑侯櫭剂x可知，混合式步進(jìn)電機(jī)包含上面兩種電機(jī)其優(yōu)點(diǎn)，多相繞組組成其定子，轉(zhuǎn)子則是由永磁材料制作的，其中為了提升步進(jìn)精度通過(guò)對(duì)定子和轉(zhuǎn)子添加小齒輪方式來(lái)實(shí)現(xiàn)?；旌鲜降奶攸c(diǎn)是把反應(yīng)式和永磁式的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，包括：輸出力矩較大，動(dòng)態(tài)性能比較好，步距角小等。它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，相應(yīng)的成本也比較高。1.3 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)生活中步進(jìn)電機(jī)的使用非常普遍，但在生產(chǎn)過(guò)程中能夠很好的使用這個(gè)電機(jī)是有一定

11、難度，如果想要它能夠順利工作則要采用一些控制軟件進(jìn)行輔助，如：雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電流的等特殊裝置，它正常工作也涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子以及計(jì)算機(jī)等相關(guān)知識(shí)。在工業(yè)生產(chǎn)和自動(dòng)化控制行業(yè)已經(jīng)廣泛使用步進(jìn)電機(jī)。伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)和電機(jī)行業(yè)也相應(yīng)快速起步，對(duì)步進(jìn)電機(jī)需求量也不斷增加，很多行業(yè)和領(lǐng)域是利用步進(jìn)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)控制電脈沖的個(gè)數(shù)對(duì)電機(jī)的角速度進(jìn)行控制，采用控制電脈沖的頻率方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度和加速度進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)如圖1-1所示。圖1-1 五相步進(jìn)電機(jī)1.4 步進(jìn)電機(jī)的各種控制及比較1.4.1環(huán)形分配器步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)圖1-2環(huán)形分配器步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)環(huán)形分配器是把源自控

12、制部分的脈沖串按照一定的規(guī)則分配給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的各相輸入端口?？刂破鞯臅r(shí)鐘脈沖讓環(huán)形分配器的輸出不但是周期性的還是可逆的。驅(qū)動(dòng)電路把環(huán)形分配器的有序時(shí)鐘脈沖放大來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向及速度連續(xù)可調(diào)。1.4.2 單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 圖1-3單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)可做到系統(tǒng)小巧、易于改變流程等特點(diǎn)。單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖1-3，我們把寫(xiě)好的程序下載到單片機(jī)，單片機(jī)就會(huì)按照一定的過(guò)程把時(shí)鐘脈沖串按一定的規(guī)律分配給驅(qū)動(dòng)電路，使驅(qū)動(dòng)電路的輸出既是周期性的，又是可逆的?？刂茊纹瑱C(jī)的程序使步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向及速度連續(xù)可調(diào)。1.4.3 可編程序控制器步進(jìn)電機(jī)控制

13、系統(tǒng) 圖1-4可編程序控制器步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)可編程序控制器（Programmabie Logic Controller,縮寫(xiě)PLC）是由微處理器結(jié)合計(jì)算機(jī)、通信、聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)明的一代工業(yè)控制裝置。PLC步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)和單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)相似，可編程控制器按用戶程序把有序的時(shí)鐘脈沖分配給驅(qū)動(dòng)電路,驅(qū)動(dòng)電路讓其有序脈沖進(jìn)行放大以此來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。PLC的程序使步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向及速度連續(xù)可調(diào)。1.4.4幾種控制系統(tǒng)的性能比較環(huán)形分配器步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉但控制靈活性不高，適合于固定模式的控制系統(tǒng)。單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)在現(xiàn)代化、高精度、網(wǎng)絡(luò)化管理的控制系統(tǒng)中工藝流程不斷

14、變化以致于單片機(jī)的程序需要隨時(shí)更改，為此修改程序需要有專業(yè)人員進(jìn)行操作，并且單片機(jī)聯(lián)網(wǎng)需要專用網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備，輸入輸出需要設(shè)計(jì)專門(mén)的隔離電路，這些都給單片機(jī)的使用帶來(lái)很大的局限性。PLC的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是微處理器，結(jié)合計(jì)算機(jī)、通信以及自動(dòng)控制技術(shù)等而開(kāi)發(fā)的新一代工業(yè)控制裝置。PLC的使用面向控制過(guò)程、面向用戶的“自然語(yǔ)言”編程，編程簡(jiǎn)潔方便。各個(gè)廠家的生產(chǎn)的可編程控制器都已成系列化，各種功能的模塊一應(yīng)俱全。可編程控制器有專用的通訊模塊特別適合組成網(wǎng)絡(luò)化控制。由以上分析我們可以得出，使用可編程控制器控制步進(jìn)電機(jī)是一種比較合理可靠的方案，編程方便、抗干擾能力強(qiáng)、其性能也很穩(wěn)定。在當(dāng)今控制系統(tǒng)中要求較高精度

15、、較高可靠性的控制性能，所以可編程控制器無(wú)疑是首選。1.5 PLC選型要求在實(shí)際應(yīng)用中，必須考慮可編程控制器的可靠性，必須及時(shí)接受來(lái)自外部的命令和狀態(tài)反饋等?？删幊炭刂破鬟M(jìn)行循環(huán)掃描，在每個(gè)掃描的周期，除過(guò)要完成以上的三個(gè)基本步驟，還要對(duì)來(lái)自內(nèi)部的故障進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)和診斷。并且完成可編程控制器的故障輸出和報(bào)警。在每次掃描開(kāi)始，可編程控制器就要診斷每個(gè)輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)。存儲(chǔ)器和CPU具有內(nèi)部自診斷的程序。通常通過(guò)檢測(cè)自身每個(gè)部分的當(dāng)前狀態(tài)，并且根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較選擇，如果錯(cuò)誤的話，此時(shí)PLC立即開(kāi)始關(guān)機(jī)過(guò)程，保持當(dāng)前工作狀態(tài)，關(guān)閉所有輸出點(diǎn)，然后關(guān)機(jī)。如果診斷后，設(shè)備或者可編程控制器自身沒(méi)有故障報(bào)警，

16、就可以繼續(xù)進(jìn)行掃描循環(huán)運(yùn)行程序，在掃描循環(huán)程序的過(guò)程中，繼續(xù)檢查外部的通信請(qǐng)求，進(jìn)行程序處理。比如，外部的編程單元，外部的邏輯狀態(tài)，以及顯示錯(cuò)誤消息的編程軟件等。通過(guò)設(shè)定好的邏輯控制條件和運(yùn)算條件進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輸出。可編程控制器在掃描周期內(nèi)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行連續(xù)不間斷的控制，一直到外部發(fā)布停止或者急停指令，或者外部發(fā)生故障等情況下，停止執(zhí)行工作。可編程控制器基本的設(shè)計(jì)原則,任何種類的電氣控制系統(tǒng)是為了達(dá)到工藝要求，提高設(shè)備的自動(dòng)化程度，保證設(shè)備的質(zhì)量。在PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)遵循的一般原則是：（1） 要選擇的可編程控制器必須符合技術(shù)規(guī)范，而且有良好的技術(shù)支持。（2）滿足要控制的控制對(duì)象

17、的要求。設(shè)計(jì)之前，應(yīng)深入研究進(jìn)行調(diào)查，收集資料，并與設(shè)計(jì)師和機(jī)械操作者緊密合作，從而進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)，最大限度的處理系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。（3）在工業(yè)工程控制的條件下，必須滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須簡(jiǎn)單，方便，而且達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的要求和效果，便于維護(hù)。也要達(dá)到系統(tǒng)符合工業(yè)設(shè)計(jì)要求，降低研發(fā)成本。（4）控制系統(tǒng)在程序設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須確保安全，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能必須可靠。正確的程序調(diào)試，充分考慮到惡劣的環(huán)境條件，本文對(duì)這個(gè)方面進(jìn)行充分分析后，最終使用了可靠性相對(duì)較高的PLC，以此不定時(shí)的對(duì)其進(jìn)行保養(yǎng)以及檢查。（5）考慮到生產(chǎn)和工藝改進(jìn)及開(kāi)發(fā)，在可編程控制器設(shè)計(jì)時(shí)，必須要對(duì)以后的研發(fā)和改進(jìn)留

18、夠一定的空間，針對(duì)不同的設(shè)備，重點(diǎn)將不同的要求，設(shè)計(jì)原則也應(yīng)有所不同，如果為了提高對(duì)所控制產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性，應(yīng)該集中在系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)，及時(shí)考慮冗余控制系統(tǒng);如果需要的話，要提高信息管理系統(tǒng)。西門(mén)子S7-200系列可編程控制器產(chǎn)品性價(jià)比高，強(qiáng)大的功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行，還是一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)遇到的各種各樣的控制任務(wù)都能很好的解決。此類型產(chǎn)品具有非常強(qiáng)大的功能，小到能夠替代繼電器，大到控制整個(gè)系統(tǒng)等，都能夠很好的實(shí)現(xiàn)。在對(duì)多種控制器的基本性能進(jìn)行對(duì)比分析后，發(fā)現(xiàn)S7-200類型的控制器具有體積小，功能強(qiáng)大等多種功能，下面對(duì)此類型產(chǎn)品的基本特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，其設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，價(jià)格低廉，性價(jià)比較高

19、，很適合研發(fā)普通的小型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。它使用超級(jí)電容器存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保護(hù)，消除了對(duì)鋰電池的需求，該系統(tǒng)是小，但可以處理模擬（12點(diǎn)模擬輸入/ 4點(diǎn)模擬輸出）。西門(mén)子S7-200系列PLC多達(dá)四個(gè)中斷控制輸入，每個(gè)中斷輸入相應(yīng)的時(shí)間都很小，只有0.2ms左右。可編程控制器還有日期和時(shí)間的中斷控制功能。根據(jù)本系統(tǒng)控制要求和在對(duì)多種類型控制器進(jìn)行性能等多方面的對(duì)比分析后，文中最終決定使用CPU222作為控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可編程控制器。2 電氣控制系統(tǒng)方案的選擇及硬件設(shè)計(jì)2.1 可編程控制器的原理可編程控制器結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制理論，通信技術(shù)等，是一種基于微處理器的工業(yè)控制產(chǎn)品4。另外對(duì)于可編程控制

20、器，其具有的結(jié)構(gòu)相對(duì)而言較簡(jiǎn)單，并且對(duì)應(yīng)具有的性能也非常的優(yōu)越，可靠性能也比較高并且維護(hù)比較方便。所以可編程控制器應(yīng)用非常廣泛，幾乎每個(gè)行業(yè)都有可編程控制器的身影。可編程控制器已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)的主導(dǎo)者。并且有著非常廣闊的前景和市場(chǎng)空間。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，將采取可編程控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，可靠性高，維護(hù)方便。關(guān)于PLC選擇問(wèn)題，還要考慮PLC網(wǎng)絡(luò)通信功能，價(jià)格因素。系統(tǒng)可靠性也是一個(gè)重要的考慮因素。在對(duì)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中存在的問(wèn)題進(jìn)行充分分析后研究后發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部的順序開(kāi)關(guān)，它是由多種因素共同決定的，并且對(duì)應(yīng)當(dāng)今社會(huì)中控制器的主要功能均是由電氣設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)而造成設(shè)備種類繁多，體積較大，工

21、作可靠性性對(duì)較低等多種缺點(diǎn)。為此為了最大限度的改變這種局面，美國(guó)的通用公司針對(duì)性的進(jìn)行了大量的研究與開(kāi)發(fā)，成功的研究出了第一代可編程控制器，其基本上可以滿足整個(gè)系統(tǒng)的需求，并命名為可編程控制程序，在當(dāng)時(shí)此款產(chǎn)品主要是應(yīng)用在電腦的開(kāi)發(fā)中，為了方便，還為了反映功能特性的可編程控制，PLC稱為可編程序邏輯控制器?？删幊炭刂破鞯幕驹砣缦拢?現(xiàn)場(chǎng)信息輸入；在可編程控制器循環(huán)掃描中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的輸入信息情況進(jìn)行逐個(gè)掃描。2按照既定程序執(zhí)行命令：可編程控制器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行識(shí)別后，按照設(shè)定好的邏輯控制條件和運(yùn)算條件進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輸出8。3對(duì)程序處理后的結(jié)果進(jìn)行邏輯或模擬量輸出：PLC將通過(guò)內(nèi)部的邏輯

22、程序或者計(jì)算程序?qū)?duì)條件進(jìn)行處理，并且將計(jì)算的結(jié)果輸出值外部端子，進(jìn)而可靠的控制所設(shè)計(jì)系統(tǒng)外部的電動(dòng)機(jī)以及電磁閥和對(duì)應(yīng)指示燈。在工程應(yīng)用過(guò)程中，設(shè)備的工作工藝過(guò)程可以分為順序控制的操作，也就是重復(fù)某種工藝的操作?？删幊炭刂破鞯墓ぷ髂Ｊ綖檠h(huán)掃描控制，和工程應(yīng)用的過(guò)程基本一致，所以可編程控制器和設(shè)備的工藝流程動(dòng)作互相對(duì)應(yīng)，編程簡(jiǎn)單直觀，不易出錯(cuò)，而且易于修改，這樣就可以降低項(xiàng)目研發(fā)的周期和成本9。2.2 可編程控制器的選型 根據(jù)可編程控制器選型的多種要求，要選擇的可編程控制器必須符合技術(shù)規(guī)范，而且有良好的技術(shù)支持。滿足要控制的控制對(duì)象的要求。設(shè)計(jì)之前，應(yīng)深入研究進(jìn)行調(diào)查，收集資料，并與設(shè)計(jì)師和機(jī)

23、械操作者，電控緊密合作，從而進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)，進(jìn)而最大限度的處理系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。在工業(yè)工程控制的條件下，必須滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須簡(jiǎn)單，方便，而且達(dá)到經(jīng)濟(jì)使用的要求和效果，便于維護(hù)。要達(dá)到系統(tǒng)符合工業(yè)設(shè)計(jì)要求，降低研發(fā)成本。控制系統(tǒng)在程序設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須確保安全，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能必須可靠。正確的程序調(diào)試，要充分考慮到惡劣的環(huán)境條件?？紤]到生產(chǎn)和工藝改進(jìn)及開(kāi)發(fā)，在可編程控制器設(shè)計(jì)時(shí)，必須要對(duì)以后的研發(fā)和改進(jìn)留夠一定的空間，針對(duì)不同的設(shè)備，重點(diǎn)將不同的要求，設(shè)計(jì)原則也應(yīng)有所不同，如果為了提高對(duì)靶產(chǎn)品質(zhì)量和安全性要求，應(yīng)該集中在系統(tǒng)的可靠性的設(shè)計(jì)，及時(shí)考慮冗余控制系統(tǒng)，提高信息

24、管理系統(tǒng)。 由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊還有編程器來(lái)構(gòu)成PLC，基本原理如如圖2-1所示。 圖2-1 PLC控制系統(tǒng)CPU模塊的構(gòu)成主要是微處理器和存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器兩種，其系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器為ROM。I/O模塊由輸入模塊和輸出模構(gòu)成，其相對(duì)應(yīng)的輸入輸出電路如圖2-2、2-3所示。圖2-2 PLC的輸入電路 圖2-3 PLC的輸出電路2.3控制方式的選擇方案一在開(kāi)環(huán)控制下，步進(jìn)電機(jī)是由給定時(shí)間間隔的脈沖序列所控制，在控制系統(tǒng)中，并不需要反饋傳感器和相應(yīng)的電子線路。開(kāi)環(huán)控制電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、還具有費(fèi)用低等其他優(yōu)點(diǎn)，所以步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。 圖2-4

25、步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制框圖方案二閉環(huán)控制是對(duì)轉(zhuǎn)子的位置還有速度進(jìn)行不斷地檢測(cè)，檢測(cè)后再經(jīng)過(guò)反饋和相應(yīng)處理，形成脈沖鏈，使得步進(jìn)電機(jī)每一次都是在控制信號(hào)的指令下運(yùn)行。在這樣閉環(huán)控制作用下，在運(yùn)作運(yùn)作過(guò)程中不容易出現(xiàn)失步。圖2-5 步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制框圖對(duì)于上面兩種方案的比較，很容易發(fā)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)的最明顯的特點(diǎn)是在沒(méi)有位置反饋信號(hào)的作用下，依然可以做出精確的位置控制。通過(guò)開(kāi)環(huán)控制的方式很好降低成本，因?yàn)樵陂_(kāi)環(huán)控制中不需要價(jià)格貴重的位置傳感器件，只要對(duì)傳輸來(lái)的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以確定步進(jìn)電機(jī)的位置。在實(shí)際生活中，多用開(kāi)環(huán)控制。因此，此次設(shè)計(jì)選擇開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。2.4五相步進(jìn)電機(jī)的幾種運(yùn)行方式2.4.1單五

26、拍運(yùn)行方式1)正轉(zhuǎn) 首先A相先通電，此時(shí)B,C,D,E四相均不通電，產(chǎn)生A-A方向上的磁場(chǎng)，此時(shí)A,A就成為電磁鐵的N,S極。由于磁通具有走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，則轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的位置，接著B(niǎo)相通電，此時(shí)A,C,D,E均不通電，產(chǎn)生B-B方向上的磁場(chǎng)，則同理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置，接著就是C,D,E相輪流單獨(dú)通電，此為一個(gè)完整的正轉(zhuǎn)周期 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)通電順序?yàn)椋篈ABBCCDDEEAA2)反轉(zhuǎn) 首先A相先通電，此時(shí)B,C,D,E四相均不通電，產(chǎn)生A-A方向上的磁場(chǎng)，此時(shí)A,A就成為電磁鐵的N,S極。由于磁通具有走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，則轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的位置，接著E相通電，此時(shí)A,B,

27、C,D均不通電，產(chǎn)生E-E方向上的磁場(chǎng)，則同理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置，接著就是D,C,B,相輪流單獨(dú)通電，此為一個(gè)完整的正轉(zhuǎn)周期 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)通電順序?yàn)椋篈AEEDDCCBBAA2.4.2十拍運(yùn)行方式1)正轉(zhuǎn) 首先A,B,C相先通電，此時(shí),D,E兩相均不通電，產(chǎn)生B-B方向上的磁場(chǎng)，此時(shí)B,B就成為電磁鐵的N,S極。由于磁通具有走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，則轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的位置，接著B(niǎo),C相通電，此時(shí)A,D,E均不通電，產(chǎn)生BC-BC方向上的磁場(chǎng)，則同理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置，接著就是BCD,CD,CDE,DE,DEA,EA,EAB,AB相輪流單獨(dú)通電，此為一個(gè)完整的正轉(zhuǎn)周期 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)通電順序?yàn)椋篈BC

28、BCBCDCDCDEDEDEAEAEABABABC2)正轉(zhuǎn) 首先A,B,相先通電，此時(shí),D,C,E兩相均不通電，產(chǎn)生AB-AB方向上的磁場(chǎng)，此時(shí)AB,AB就成為電磁鐵的N,S極。由于磁通具有走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，則轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的位置，接著E,A,B相通電，此時(shí)C,D均不通電，產(chǎn)生A-A方向上的磁場(chǎng)，則同理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置，接著就是EA,DEA,DE,CDE,CD,BCD,BC,ABC相輪流單獨(dú)通電，此為一個(gè)完整的正轉(zhuǎn)周期 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)通電順序?yàn)椋篈BEABEADEADECDECDBCDBCABCAB2.4.3雙五拍運(yùn)行方式1)正轉(zhuǎn) 首先A,B相先通電，此時(shí)C,D,E三相均不通電，產(chǎn)生

29、AB-AB方向上的磁場(chǎng)，此時(shí)AB,AB就成為電磁鐵的N,S極。由于磁通具有走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，則轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的位置，接著B(niǎo),C相通電，此時(shí)A,D,E均不通電，產(chǎn)生BC-BC方向上的磁場(chǎng)，則同理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置，接著就是CD,DE,EA相輪流單獨(dú)通電，此為一個(gè)完整的正轉(zhuǎn)周期 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)通電順序?yàn)椋篈BBCCDDEEAAB2)反轉(zhuǎn) 首先A,B相先通電，此時(shí)C,D,E三相均不通電，產(chǎn)生AB-AB方向上的磁場(chǎng)，此時(shí)AB,AB就成為電磁鐵的N,S極。由于磁通具有走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，則轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的位置，接著E,A相通電，此時(shí)B,C,D均不通電，產(chǎn)生EA-EA方向上的磁場(chǎng)，則

30、同理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置，接著就是DE,CD,BC,相輪流單獨(dú)通電，此為一個(gè)完整的正轉(zhuǎn)周期簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)通電順序?yàn)椋篈BEADECDBCAB相比較而言五相十拍運(yùn)行在轉(zhuǎn)子極數(shù)相同的情況下，步距角更小，控制精度更高，所以本次設(shè)計(jì)采用五相十拍的運(yùn)行方式。2.5控制分析2.5.1功能要求1)對(duì)于五相步進(jìn)電機(jī)控制，主要是五相繞組的接通、斷開(kāi)的順序和每個(gè)步距腳的行進(jìn)速度這兩個(gè)方面進(jìn)行控制。下面將介紹十拍運(yùn)行時(shí)五相十拍步進(jìn)電機(jī)的正傳順序和反轉(zhuǎn)順序。正轉(zhuǎn)順序：ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB反轉(zhuǎn)順序：ABEABEADEADECDECDBCDBCABC 圍繞這兩個(gè)主要方面，對(duì)此我們做出以下的控制要求：在

31、電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中可以正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；2)用五個(gè)開(kāi)關(guān)控制其工作：1 號(hào)開(kāi)關(guān)控制其運(yùn)行 ( 啟 / 停 )。2 號(hào)開(kāi)關(guān)控制其低速運(yùn)行 (轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角需 0.5 秒)。3 號(hào)開(kāi)關(guān)控制其中速運(yùn)行 (轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角需 0.1 秒)。4 號(hào)開(kāi)關(guān)控制其高速運(yùn)行 (轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角需 0.03 秒)。5 號(hào)開(kāi)關(guān)控制轉(zhuǎn)向 ( ON 為正轉(zhuǎn)，OFF 為反轉(zhuǎn) )。2.5.2 I/O地址分配表表2-7 I/O地址分配表控制信號(hào)信號(hào)名稱元件名稱元件符號(hào)地址編碼輸入信號(hào)啟/停控制常開(kāi)按鈕SB1I0.0低速調(diào)速常開(kāi)按鈕SB2I0.1中速調(diào)速常開(kāi)按鈕SB3I0.2高速調(diào)速常開(kāi)按鈕SB4I0.3正/反轉(zhuǎn)控制單刀雙制開(kāi)關(guān)QSI0.4輸

32、出信號(hào)輸出端子A端子AQ0.0輸出端子B端子BQ0.1輸出端子C端子CQ0.2輸出端子D端子DQ0.3輸出端子E端子EQ0.42.6 PLC外部接線圖PLC外部接線圖設(shè)備、負(fù)載電源種類等的設(shè)計(jì)就依據(jù)系統(tǒng)的要求。由上面的I/O分配表，查閱手冊(cè)選擇S7-200 CPU222基本單元（8入/6出）1臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其五相十拍外部接線圖如下：圖2-8 外部接線圖2.7 步進(jìn)電機(jī)時(shí)序圖 （a）步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)序圖 （b）步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)序圖圖2-9步進(jìn)電機(jī)時(shí)序圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的選擇3.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的分類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源有很多種，它的分類方法也有很多。如果按照相應(yīng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)容量大小來(lái)區(qū)分，則有

33、功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源還有伺服步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源兩種。 若按照輸出的脈沖極性來(lái)區(qū)分的話，那就有單向脈沖電源還有正、負(fù)雙極性脈沖電源兩種，后面的是作為永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或感應(yīng)式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)源。 如果按電脈沖的功率元件分類，有晶體管驅(qū)動(dòng)電源、高頻晶閘管驅(qū)動(dòng)電源還有可關(guān)斷晶閘管驅(qū)動(dòng)電源。 如果按照脈沖的供電方式來(lái)區(qū)分，有單一電壓型的電源還有高、低壓切換型的電源；斬波恒流驅(qū)動(dòng)電源和細(xì)分電路電源等。 單一電壓電源是最為簡(jiǎn)單電源，其原理圖如3-1。信號(hào)脈沖輸入，隨后晶體管導(dǎo)通，電容在起始時(shí)等同于將電阻R短接，隨后控制繞組的電流會(huì)上升的很迅速。當(dāng)電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，串聯(lián)的電阻R就會(huì)起到限流功能。在這個(gè)完

34、整的工作過(guò)程中只有一種電源為其供電。這種線路的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，而且電阻還有控制繞組串聯(lián)，這樣能夠減小回路時(shí)間的常數(shù)，但是由于電阻R上要消耗功率，會(huì)讓電源的效率變得很低，所以當(dāng)這種電源供電時(shí)它的起動(dòng)和運(yùn)行頻率都很低。圖3-1 單一電壓型驅(qū)動(dòng)電源 圖3-2 高、低壓切換型驅(qū)動(dòng)電源 高、低壓切換型電源原理如圖3-2。步進(jìn)電機(jī)的每相繞組是由兩只功率元件串聯(lián)形成的，它的供電方式有高壓和低壓兩種。高壓供電可以提高電流上升的速度，電流波形的前沿也會(huì)得到緩和，穩(wěn)定則用低壓。低壓電源之所以串聯(lián)一個(gè)較小的電阻R，目的是為了控制繞組電流值，才能夠使各相電流趨于穩(wěn)定。這樣電源效率變高，起始和運(yùn)行時(shí)的頻率比單一電壓型電源

35、更高，然而這種驅(qū)動(dòng)電路在低頻運(yùn)行時(shí)通電的時(shí)間太長(zhǎng)，低頻時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的噪聲就會(huì)較大，而且會(huì)伴隨共振現(xiàn)象的存在。 斬波恒流驅(qū)動(dòng)電源是目前使用比較多的一種驅(qū)動(dòng)方法?；纠碚撛谟陔姍C(jī)是否處于鎖定狀態(tài)，導(dǎo)通相繞組電流需要穩(wěn)定在額定值。圖3-3是斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路的原理圖。開(kāi)關(guān)管VT1和VT2控制繞組的關(guān)斷與導(dǎo)通，VT2發(fā)射極連接一個(gè)小電阻R，繞組電流經(jīng)過(guò)這個(gè)電阻接地，壓降跟電機(jī)繞組的電流是正比例的關(guān)系，電阻就是電流采樣電阻。 當(dāng)為高電平時(shí)，VT1和VT2導(dǎo)通，電源供電。由于電感作用，電阻上電壓逐漸升高，一旦超過(guò)，比較器就會(huì)輸出低電平，然后與門(mén)也輸出低電平，VT1關(guān)斷，電源關(guān)斷，繞組電流經(jīng)過(guò)VT2、R、VD2

36、繼續(xù)續(xù)流，采樣電阻R的端電壓跟著下降。當(dāng)采樣電阻R上的電壓低于給定電壓之后，比較器輸出的就是高電平，而后與門(mén)輸出的也是高電平，VT再一次導(dǎo)通，電源繼續(xù)供電，如此反復(fù)。 當(dāng)變成低電平時(shí)，VT1和VT2兩個(gè)開(kāi)關(guān)管不導(dǎo)通，繞組的電流經(jīng)過(guò)二極管VD1、電源，二極管VD2放電，迅速下降。、VT1的基極電位和繞組電流波形如圖3-4。VT2導(dǎo)電期間，電源以脈沖的形式提供電源。在斬波的作用下，繞組的電流保持不變，具有相同的輸出轉(zhuǎn)矩。它另一個(gè)好處就是共振會(huì)減小，因?yàn)殡姍C(jī)共振的內(nèi)因是能量積累過(guò)多，斬波恒流驅(qū)動(dòng)輸入的能量隨著繞組電流變化自動(dòng)改變，可以不使能量產(chǎn)生堆積?？墒?，當(dāng)電流的形狀為鋸齒形的時(shí)候，這種驅(qū)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)

37、生比較大的電磁噪聲。圖3-3 斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路的原理圖圖3-4 斬波恒流控制的電流波形圖3-5階梯波形電流圖 細(xì)分驅(qū)動(dòng)又叫微步距控制，是步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制的新技術(shù)之一，可以達(dá)到極高的精度并提高穩(wěn)定性，來(lái)讓運(yùn)動(dòng)近似的變?yōu)閯蛩俎D(zhuǎn)動(dòng)的一種驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)就像伺服電動(dòng)機(jī)一樣。要減小步距角，只是從電機(jī)本身來(lái)解決有一定局限性，所以要從電源方面解決。將以前供電的脈沖電流變成階梯波形，如圖3-5，輸入電流的每一階梯，偏轉(zhuǎn)角減小，能夠改善電機(jī)的運(yùn)行品質(zhì)，減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)噪音等其它影響，能夠提高運(yùn)行的平滑性，所以細(xì)分電路驅(qū)動(dòng)是較為理想的驅(qū)動(dòng)方式。在圖3-5中，給電機(jī)電流由零經(jīng)過(guò)五個(gè)階梯上升。下降時(shí)，經(jīng)過(guò)同樣過(guò)程到0

38、。這樣使電機(jī)成為一個(gè)連續(xù)磁場(chǎng)，使得電動(dòng)機(jī)平滑運(yùn)動(dòng)。細(xì)分電路電源，就是用順序脈沖形成器使各脈沖一個(gè)個(gè)放大，這些脈沖電流在繞組中疊加成為階梯波形電流,順序脈沖形成器一般可用移位形式的環(huán)形脈沖分配器做到。3.2.細(xì)分電路的分析和選擇步進(jìn)電機(jī)是對(duì)傳輸來(lái)的電脈沖信號(hào)的分析和轉(zhuǎn)換而進(jìn)行相應(yīng)的角位移和線位移。原理就電磁鐵吸引轉(zhuǎn)子然后產(chǎn)生轉(zhuǎn)距來(lái)作用，電機(jī)依據(jù)各相定子依次通電使它轉(zhuǎn)動(dòng)，然后電磁轉(zhuǎn)化為角位移。定子繞組從一相導(dǎo)通轉(zhuǎn)化為另一相導(dǎo)通，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)一角度，即步距角。細(xì)分就是在繞組換相時(shí)，不讓它導(dǎo)通或者斷開(kāi)。我們以某種電機(jī)來(lái)說(shuō)明步距角二細(xì)分,如圖3-6 。當(dāng)電機(jī)在A相通電的時(shí)候，轉(zhuǎn)子在A-A之間，當(dāng)A相通電變?yōu)?/p>

39、A、B 兩相通電后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)角,停A 、B兩相中間 處，轉(zhuǎn)距與繞組電流成正比，B 相繞組電流不是由0直接上升至額定電流，先到中間位置，轉(zhuǎn)子不是轉(zhuǎn)到位置，而停在 處；同樣，當(dāng)A 、B 兩相通電變?yōu)锽 相通電，如果A 相電流并不是由額定電流降到0，則轉(zhuǎn)子將不會(huì)轉(zhuǎn)到位置BB，而是轉(zhuǎn)到位置 ， 精度從而提高，這就是步進(jìn)電機(jī)二細(xì)分理論。綜上所述，定子繞組電流并不是由0 變到額定值，或由額定值變?yōu)?，而分十級(jí)一步一步完成，即B相繞組用一樣的間隔通電00.1Ie0.2Ie0.9IeIe，A 相以同樣的時(shí)間按下過(guò)程減小電流Ie0.9Ie 0.2Ie0.1Ie0，如此，步進(jìn)電機(jī)就完成了十細(xì)分。我們可以看到，細(xì)分

40、就是使電機(jī)各相電流有序升級(jí)，降級(jí)，來(lái)提高精度。 圖3-6 步進(jìn)電機(jī)步矩角細(xì)分示意圖我們選擇恒頻斬波細(xì)分控制，它就是斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路的進(jìn)一步改進(jìn)。在驅(qū)動(dòng)電路里，繞組電流的大小是由比較器給定的電壓值決定的，實(shí)際上這個(gè)給定的電壓是一個(gè)固定值?，F(xiàn)在給定的電壓值用階梯電壓來(lái)替換，我們就會(huì)得到階梯電流波。該電路驅(qū)動(dòng)如下3-7，單片機(jī)為主體，經(jīng)過(guò)T0輸出20kHz方波，送給D觸發(fā)器，當(dāng)作信號(hào)。單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)送到到D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)作控制信號(hào)。階梯電壓每一次變化都會(huì)使轉(zhuǎn)子走步。 恒頻斬波細(xì)分原理就在于D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓不確定時(shí)，恒頻信號(hào)上升沿會(huì)使D觸發(fā)器動(dòng)作，使其輸出的電平為高電平，開(kāi)關(guān)管VT1、VT2開(kāi)

41、始動(dòng)作，繞組電流自然上升，取樣電阻R2的壓降提高，壓降大于，比較器就會(huì)輸出低的電平，然后D觸發(fā)器輸出低電平，VT1、VT2斷開(kāi)，繞組電流降低。當(dāng)R2壓降小于，比較器輸出的就是高電平，然后D觸發(fā)器輸出的電平也為高電平，VT1、VT2通電，繞組的電流就會(huì)上升。然后反復(fù)操作，使電流波形為鋸齒波。CLK脈沖頻率比較高，鋸齒形波紋較小。CLK、階梯波確定電壓，VT1控制電壓還有繞組電流波形如下3-8所示。圖3-7恒頻斬波細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路圖3-8恒頻斬波細(xì)分驅(qū)動(dòng)的電流波形4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)通過(guò)西門(mén)子的編程軟件STEP7-Micro/WIN32來(lái)實(shí)現(xiàn)。前面我們已經(jīng)詳細(xì)講解和介紹步進(jìn)電機(jī)的控制方案設(shè)計(jì)，本章我

42、們開(kāi)始對(duì)控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行詳細(xì)的講解。對(duì)于系統(tǒng)軟件的介紹有利于我們更好的理解程序的編寫(xiě)和程序的進(jìn)程。這一章節(jié)主要講解該系統(tǒng)操作步驟的相關(guān)程序，同時(shí)對(duì)這些程序進(jìn)行了具體的注解，以便于理解。詳細(xì)的PLC程序查閱論文末尾附錄。4.1步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)及分析程序控制圖如下圖4-1 控制流程圖因?yàn)樯厦娴囊?，我們能夠給出電機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程圖，如圖4-1。我們以框圖作為依據(jù)，思考控制更多的要求，我們先將程序分為4塊進(jìn)行編程，即模塊1：步進(jìn)速度選擇；模塊2：起動(dòng)、停止；模塊3：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)；模塊4：移位控制功能模塊；模塊:5：A、B、C、D、E五相繞組對(duì)象控制。第二步，連接模塊，然后進(jìn)行調(diào)試、處理、滿足要求。4.

43、2 PLC 程序設(shè)計(jì)4.2.1 步進(jìn)控制設(shè)計(jì)對(duì)采用移位指令進(jìn)行步進(jìn)控制。第一是確定移位寄存器MW0，依據(jù)五相十拍的規(guī)律，移位寄存器初值如下。表4-3 移位寄存器初值M1.1 M1.0 M0.7 M0.6 M0.5 M0.4   M0.3 M0.2 M0.1 M0.0 1 0 0 0 0   0 0 0 0 0 每次右移，電機(jī)就前進(jìn)一拍，十拍以后再?gòu)男麻_(kāi)始。其中M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7始終為“0”。所以，我們能給出移位寄存器輸出狀態(tài)還有電機(jī)繞組狀態(tài)的真值表，下圖所示。這樣我們能得出繞組的關(guān)系式：正轉(zhuǎn)時(shí):A相 Q0.0=M1.1+M0.3+M0

44、.2+M0.1+M0.0B相 Q0.1=M1.1+M1.0+M0.7+M0.1+M0.0C 相Q0.2=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.5D相 Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5+M0.4+M0.3E相 Q0.4= M0.5+M0.4+M0.3+M0.2+M0.1反轉(zhuǎn)時(shí):A相 Q0.0=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.0B相 Q0.1=M1.1+M1.0+M0.2+M0.1+M0.0C相 Q0.2=M0.4+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0D相 Q0.3=M0.6+M0.5+M0.4+M0.3+M0.2E相 Q0.4=M1.0 +M0.7+M0.6+M0.

45、5+M0.4表4-4 移位寄存器輸出狀態(tài)及步進(jìn)電機(jī)繞組狀態(tài)真值表（正轉(zhuǎn)）移位寄存器MW0正轉(zhuǎn)M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE100000000011100010000000001100001000000001110000100000000110000010000000111000001000000011000000100010011000000010010001000000001011001000000000111000表4-5 移位寄存器輸出狀態(tài)及步進(jìn)電機(jī)繞組狀態(tài)真值表（反轉(zhuǎn)）移位寄存器MW0反轉(zhuǎn)M1.1M1.0M0.7M0.6M0.

46、5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE1000000000110000100000000110010010000000100010001000000100110000100000000110000010000001110000001000001100000000100011100000000010011000000000001111004.2.2 梯形圖設(shè)計(jì)啟停用單按鈕來(lái)控制。梯形圖如下，第一步，按SB2(SB3或SB4)首次選擇一種速度， 電機(jī)速度由定時(shí)器T33把握，把50、10、3分別輸入VW100可得到低速、中速、高速三種不一樣的速度。然后按下SB1(I0.0)，M2.0導(dǎo)

47、通，移位寄存器賦初值，然后電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，并且定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值的時(shí)候，T33得電，移位寄存器的值右移，而后C1計(jì)數(shù)一次，再然后T33重新計(jì)時(shí)。當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到十次后C1讓讓移位寄存器重新開(kāi)始，再次作用。QS用來(lái)管正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，ON時(shí)I0.4導(dǎo)通，電機(jī)正轉(zhuǎn)，OFF時(shí) I0.4斷開(kāi)電機(jī)反轉(zhuǎn)。按下SB1，C0作用，M2.0斷開(kāi)，C1復(fù)位。梯形圖是PLC編程語(yǔ)言,PLC生產(chǎn)廠產(chǎn)品均可以用梯形圖語(yǔ)言寫(xiě)。用梯形圖編程器建立程序,擁有梯級(jí)或者網(wǎng)絡(luò)段的結(jié)構(gòu),利于程序觀察、運(yùn)行和改正。所以，在論文中用PLC梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)。（具體程序梯形圖見(jiàn)附錄A）梯形圖易于理解，觀察，可是并不能被PLC識(shí)別，無(wú)法直接的使用

48、，所以要人工編譯來(lái)轉(zhuǎn)化為語(yǔ)句表。在STEP7-MICRO/WINSP4系統(tǒng)里可將圖識(shí)別、編譯成指令的序列。具體生成的程序語(yǔ)句表見(jiàn)附錄B。345 組態(tài)軟件監(jiān)控設(shè)計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行5.1 組態(tài)軟件仿真實(shí)現(xiàn)的意義工控組態(tài)軟件在工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中較為常見(jiàn)的軟件，它的主要是作為工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集、整理和過(guò)程控制系統(tǒng)的上位機(jī)軟件，它的優(yōu)點(diǎn)很多，其中它具有良好的組態(tài)方式，這樣可以很好的對(duì)自控系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)察和控制。這種組態(tài)軟件使用的通信協(xié)議能夠支持很多種類的外部設(shè)備，同時(shí)該協(xié)議還能將聯(lián)網(wǎng)控制、分布式信息傳送給我們。在這種組態(tài)控制軟件使用前，在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化控制方便，一般由專門(mén)的程序編程人員進(jìn)行編程控

49、制或者將這部分作為一個(gè)項(xiàng)目外包出去，編程出人機(jī)界面上位機(jī)程序，以這樣的方式開(kāi)發(fā)出人機(jī)自動(dòng)化界面；另一種方式是通過(guò)對(duì)工控廠家出售機(jī)械時(shí)相應(yīng)的工控系統(tǒng)的購(gòu)買(mǎi)，但是這種系統(tǒng)通常是工控廠家編寫(xiě)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是批量產(chǎn)生的，該系統(tǒng)沒(méi)有針對(duì)性。這也很好的解釋了該系統(tǒng)不能和工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)很好的匹配的原因，同時(shí)對(duì)于該系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)來(lái)時(shí)，是非常艱難的，對(duì)該系統(tǒng)不適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的部分進(jìn)行修改也是很困難。在組態(tài)控制軟件出現(xiàn)之后，我們可以通過(guò)使用組態(tài)軟件和它的功能，很輕易編寫(xiě)出我們所需要的人機(jī)界面。組態(tài)王開(kāi)發(fā)系統(tǒng)通過(guò)中文界面顯示，相應(yīng)的操作可以通過(guò)漢語(yǔ)提示和講解，從而使得該系統(tǒng)的操作方式容易上手，同時(shí)命令指令和語(yǔ)言

50、都很容易學(xué)會(huì)。參數(shù)輸入和輸出，修改方式很靈活，控制能力比較靠前，能進(jìn)行多次仿真運(yùn)行，這些交互設(shè)計(jì)能力很強(qiáng)，這樣可以讓它在自控系統(tǒng)的檢測(cè)和檢驗(yàn)的工作中能夠發(fā)揮出很好的效果。5.2 組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)步驟對(duì)于組態(tài)軟件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，在它設(shè)計(jì)之前，我們需要建立一個(gè)工程，在這個(gè)工程里進(jìn)行設(shè)計(jì)具體的內(nèi)容。對(duì)于組態(tài)工程的創(chuàng)建，通常步驟為：定義裝置，對(duì)圖形進(jìn)行繪制，建立變量，變量和圖形相關(guān)聯(lián)，調(diào)試再運(yùn)行。通常包括下面三個(gè)部分：圖形畫(huà)面：我們通過(guò)工藝流程圖來(lái)呈現(xiàn)出在工業(yè)生產(chǎn)中的工業(yè)控制的現(xiàn)場(chǎng)和相應(yīng)的工業(yè)控制所需要的設(shè)備，對(duì)工控現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)大大小小環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行有效的顯示，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控顯示的畫(huà)面進(jìn)行很好的設(shè)計(jì)，對(duì)監(jiān)控設(shè)備的進(jìn)

51、行時(shí)刻觀察，時(shí)刻觀察它的運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)據(jù)庫(kù)：通過(guò)對(duì)工作狀況的變量表的創(chuàng)立，它是根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行創(chuàng)建的，它的目的是為了反映工控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)有效的顯示出相應(yīng)的參數(shù)，比如：液位、溫度、壓力等。動(dòng)畫(huà)連接：通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面對(duì)運(yùn)行的圖素進(jìn)行監(jiān)控，而這些圖素對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬。這樣能很好的檢測(cè)到工作人員操作時(shí)候?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)能夠?qū)ο到y(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)。以下將講解設(shè)計(jì)的具體步驟：1)新建一個(gè)工程：首先開(kāi)啟工程管理器，在開(kāi)啟的界面中單擊“新建”按鍵，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)“新建工程向?qū)А钡捻?yè)面，這個(gè)窗口詳細(xì)的對(duì)工程建立進(jìn)行詳細(xì)的描述（比如：詳細(xì)講解如何對(duì)五相步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)

52、），我們?cè)賹⑿陆üこ瘫４嬖陔娔X本地硬盤(pán)里。圖5-1 新建工程向?qū)? 2)定義設(shè)備由PLC、儀表、模塊、板卡和變頻器等做成外部設(shè)備，在使用組態(tài)王前，必須對(duì)它進(jìn)行定義。本篇論文是采用西門(mén)子S7-200PLC和組態(tài)王通信完成設(shè)計(jì)。如圖所示，我們?cè)谖鏖T(mén)子下面的系列中選擇PLC S7-200，在通訊方式的選擇時(shí)，我們選擇的是PCPPI通信，最后所有選項(xiàng)都設(shè)定完時(shí)，再點(diǎn)擊“ 確定”按鈕。圖5-2 設(shè)備配置向?qū)?)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)這個(gè)頁(yè)面，我們可以對(duì)所需要的每個(gè)變量進(jìn)行定義，而且可以對(duì)每個(gè)變量進(jìn)行修改，同時(shí)可以對(duì)數(shù)據(jù)變量的管理燈進(jìn)行操作。如下圖所示。圖5-3 步進(jìn)電機(jī)控制變量定義4)建立步進(jìn)電機(jī)控制畫(huà)面及動(dòng)畫(huà)

53、連接我們新建的畫(huà)面對(duì)話框，并將它命名為“步進(jìn)電機(jī)控制”。同時(shí)我們將在這個(gè)畫(huà)面上放置一個(gè)矩形方框，放入一個(gè)文本框，將文本框命名為“啟動(dòng)”，此時(shí)我們對(duì)“啟動(dòng)”按鈕進(jìn)行雙擊，完成相應(yīng)的動(dòng)作。如下圖所示。圖5-4 新建畫(huà)面5.3 系統(tǒng)的仿真運(yùn)行我們通過(guò)組態(tài)王使用，在該開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中，通過(guò)點(diǎn)擊“文件”選項(xiàng)按鈕，在菜單中選中“切換到View”按鍵，我們?cè)購(gòu)摹斑x擇畫(huà)面”選擇“五相步進(jìn)電機(jī)監(jiān)控”，其系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)圖見(jiàn)附錄C。總結(jié)本篇論文是通過(guò)PLC對(duì)五相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。通過(guò)PLC設(shè)計(jì)出步進(jìn)電機(jī)的控制裝置，該裝置是通過(guò)可編程控制器與傳感器二者綜合在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)镻LC很容易對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，因此PLC在對(duì)五相步進(jìn)電機(jī)的控制方面展現(xiàn)出很好效果，展現(xiàn)出PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)的自控能力和調(diào)節(jié)能力。該控制系統(tǒng)不僅利用了PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制，而且采用上位機(jī)組態(tài)王相應(yīng)的組態(tài)監(jiān)察和控制，具有良好的操作性。當(dāng)我一開(kāi)始看到論文課題是關(guān)于五相步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)的時(shí)候，當(dāng)時(shí)一片茫然。因?yàn)閷?duì)于五相步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)的操作、仿真和實(shí)現(xiàn)的過(guò)程還不清楚，不知道從何下手。因此到圖書(shū)館和電子閱覽室等地方開(kāi)始查找相關(guān)資料，其中包含有關(guān)于五相步進(jìn)電機(jī)控制相關(guān)的概述，在國(guó)內(nèi)外有關(guān)于五相步進(jìn)電機(jī)控制的發(fā)展情況，同時(shí)也開(kāi)始關(guān)注五相步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)的工作流程等。通過(guò)一段時(shí)間的努力，對(duì)五相步進(jìn)電機(jī)控制相關(guān)的知識(shí)有了些認(rèn)知。因