1、機電工程學院課程設計說明書設計題目:五相單雙十拍步進電動機控制程序的設計與調試 學生姓名： xxx 學 號： xxxx 專業班級： 機制F09xx 指導教師： xxx 2012年 12月 14 日內容摘要 步進電機是一種控制精度極高的電機, 在工業上有著廣泛的應用。步進電動機具有快速起停、精確步進和定位等特點，所以常用作工業過程控制及儀器儀表的控制元件。基于PLC控制的步進電動機具有設計簡單，實現方便，參數設計置靈活等優點。矩角特性是步進電機運行時一個很重要的參數，矩角特性好，步進電機啟動轉矩就大，運行不易失步。改善矩角特性一般通過增加步進電機的運行拍數來實現。本文主要是介紹采用可編程控制器(

2、PLC) 對五相十拍步進電機進行控制的設計原理及方法進行分析。本文詳細的介紹了用PLC控制步進電機系統的原理，及硬件和軟件設計方法。其內容主要包括I/O地址分配、PIC外部接線圖、控制流程圖、梯形圖以及語句表。本文設計過程中使用了移位指令，大大簡化了程序的設計，使程序更間湊，方便了設計。在實際應用中表明此設計是合理有效的。關鍵詞: S7-200 PLC；梯形圖；五相十拍步進電動機目 錄第1章 引言11.1 五相步進電動機的控制要求11.2 程序設計的基本思路2第2章 PLC控制系統設計32.1 PLC類型選擇32.2 I/O點的分配與編號32.3 PLC外部接線圖42.4 繪制控制流程圖52.

3、5 梯形圖程序設計62.5.1 步進控制設計62.5.2梯形圖72.6程序指令表12第3章 控制程序運行及調試163.1電機低速轉動時程序測試.163.2電機中速轉動時程序測試.173.3電機高速轉動時程序測試18設計總結.19謝 辭20參考文獻21第1章 引言步進電機作為執行元件，是電氣自動化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統和精密機械等領域。步進電動機具有快速起停、精確步進和定位等特點，所以常用作工業過程控制及儀器儀表的控制元件。目前，比較典型的控制方法是用單片機產生脈沖序列來控制步進電機。但采用單片機控制，不僅要設計復雜的控制程序和I/O接口電路，實現比較麻煩。基于PLC控制的

4、步進電動機具有設計簡單，實現方便，參數設計置靈活等優點。步進電機廣泛應用于對精度要求比較高的運動控制系統中，如機器人、打印機、軟盤驅動器、繪圖儀、機械閥門控制器等。矩角特性是步進電機運行時一個很重要的參數，矩角特性好，步進電機啟動轉矩就大，運行不易失步。改善矩角特性一般通過增加步進電機的運行拍數來實現。1.1 五相步進電動機的控制要求1五相步進電動機有五個繞組: A、B、C、D、E 。正轉順序: AABBBCCCDDDEEEA；反轉順序: EAEDEDDCCBCBBAA2用五個開關控制其工作：1 號開關控制其運行 ( 啟 / 停 )。2 號開關控制其低速運行 (轉過一個步距角需 0.5 秒)。

5、3 號開關控制其中速運行 (轉過一個步距角需 0.1 秒)。4 號開關控制其低速運行 (轉過一個步距角需 0.02 秒)。5 號開關控制其轉向 ( ON 為正轉，OFF 為反轉 )。3.操作方面要求： （1）可正轉或反轉；（2）運行過程中，正反轉可隨時不停機切換；（3）步進三種速度可分為高速（0.02S），中速（0.1S），低速（0.5S）三檔，并可隨時手控變速;4.性能方面要求：在實現控制要求的基礎上，應使程序盡量簡潔緊湊。另一方面，同一控制對象，根據生產的工藝流程不同，控制要求或控制時序會發生變化，此時，要求程序修改方便、簡單，即要求程序有較好的柔性。1.2 程序設計的基本思路在進行程序設

6、計時，首先應明確對象的具體控制要求。由于CPU對程序的串行掃描工作方式，會造成輸入輸出的滯后，而由掃描方式引起的滯后時間，最長可達兩個掃描周期，程序越長，這種滯后越明顯，則控制精度就越低。因此，在實現控制要求的基礎上，應使程序盡量簡潔緊湊。另一方面，同一控制對象，根據生產的工藝流程不同，控制要求或控制時序會發生變化，此時，要求程序修改方便、簡單，即要求程序有較好的柔性。以SIMATIC移位指令為步進控制的主體進行程序設計，可較好的滿足上述設計要求。第2章 PLC控制系統設計2.1 PLC類型選擇PLC脈沖控制步進電機技術應用于中、小功率牽引設備中，具有控制簡單、穩定、成本低等特點。如果在系統中

7、加上保護電路及防干擾措施，還可提高系統的穩定性。S7-200系列PLC是西門子公司生產的一種小型PLC，其許多功能達到了大中型PLC的水平，而價格卻和小型PLC接近。特別是S7-200CPU系列PLC，它具有多種功能模塊和人機界面（HMI）可供選擇，便于系統的集成，并很容易地組成PLC網絡；此外，它還具有功能齊全的編程和工業控制組態軟件，使得S7-200系列PLC在完成控制系統的設計時更加簡單，幾乎可以完成任何功能的控制任務。控制步進電機的共有5個輸入開關，分別是啟/停開關QS1，0.5s低速運行開關QS2，0.1s中速運行開關QS3，0.02s高速運行開關QS4，控制轉向開關QS5。控制A、

8、B、C、D、E五相繞組的工作，需要五個直流輸出量，分別是A相繞組B相繞組，C相繞組，D相繞組，E相繞組。由于有5個直流輸入，5個直流輸出，無模擬量輸入輸出，因此只需5點輸入，5點輸出即可，加上10%的余量，通過查閱手冊選定S7-200 CPU222基本單元（8入/6出）1臺，輸出形式又有繼電器輸出，晶體管（只能直流）輸出，晶閘管輸出（只能輸出交流）三種形式。由于輸出為之流脈沖信號，故采用可直流可交流的繼電器輸出形式。圖2-1是CPU222的圖片及簡要介紹。圖2-1 CPU222的圖片及簡要介紹2.2 I/O點的分配與編號控制步進電機的5個輸入開關及控制A、B、C、D、E五相繞組工作的輸出端在P

9、LC中的I/O編址如表2-1所示。表2-1 I/O地址分配表輸入點輸出點元件名稱符號地址編碼元件名稱符號地址編碼啟/停開關SB1I0.0A相繞組AQ0.00.5s低速運行開關SB2I0.1B相繞組BQ0.10.1s中速運行開關SB3I0.2C相繞組CQ0.20.02s高速運行開關SB4I0.3D相繞組DQ0.3控制轉向開關QSI0.4E相繞組EQ0.42.3 PLC外部接線圖PLC外部接線圖的輸入輸出設備、負載電源的類型等的設計就結合系統的控制要求來設定。步進電動機采用五相十拍控制I/O接線圖如圖2-2所示。圖2-2 PLC控制I/O接線圖2.4 繪制控制流程圖由于上述具體控制要求，可作出步進

10、電機在運行時的程序框圖，如圖2-3所示。以工作框圖為基本依據，結合考慮控制的具體要求，首先可將梯形圖程序分為4個模塊進行編程，即模塊1：步進速度選擇；模塊2：起動、停止；模塊3：正轉、反轉；模塊4：移位控制功能模塊；模塊:5：A、B、C、D、E五相繞組對象控制。然后，將各模塊進行連接，最后經過調試、完善、實現控制要求。 首次選擇步進速度啟/停正轉或反轉 位移寄存器賦初值低速中速高速發出位移脈沖執行位移位移輸出控制電機步進十拍計數開始NY圖2-3 控制流程圖2.5 梯形圖程序設計2.5.1 步進控制設計采用移位指令進行步進控制。首先指定移位寄存器MW0，按照五相十拍的步進順序，移位寄存器的初值見

11、表2-2。表2-2 移位寄存器初值M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.1M0.0100000000每右移1位，電機前進一個步距角（一拍），完成十拍后重新賦初值。由于10位大于1字節而又小于2字節，故令未用上的M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7置“0”。據此，可作出移位寄存器輸出狀態及步進電機正反轉繞組的狀態真值表，如表2-3、2-4所示。從而得出五相繞組的控制邏輯關系式：正轉時A相 Q0.0=M1.1+M1.0+M0.0B相 Q0.1= M1.0+M0.7+M0.6C 相Q0.2= M0.6+M0.5+M0.4D相 Q0.3= M0.4+M0.

12、3+M0.2E相 Q0.4= M0.2+M0.1+M0.0反轉時A相 Q0.0=M1.1+ M0.1+M0.0B相 Q0.1= M0.3+M0.2+M0.1C相 Q0.2=M0.5+M0.4+M0.3D相 Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5E相 Q0.4=M1.1+M1.0 +M0.7表2-3 移位寄存器輸出狀態及步進電機繞組狀態真值表（正轉）移位寄存器MW0正轉M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE1000000000100000100000000110000010000000010000001000000011000000100000

13、001000000010000001100000001000 00010000000010000011000000001000001000000000100001表2-4 移位寄存器輸出狀態及步進電機繞組狀態真值表（反轉）移位寄存器MW0反轉M1.1M1.0M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCDE10000000001000101000000000000100100000000001100010000000001000001000000011000000100000010000000010000110000000001000100000000000101100

14、00000000001100002.5.2梯形圖梯形圖設計如下：首先，按SB2或SB3或SB4初次選擇一種步進速度， 五相步進電動機的速度由定時器T33控制，把三個值50、10、2分別送到VW100可得到低速、中速、高速三種速度。再按SB1，M2.0得電，移位寄存器賦初值，電機開始轉動，且定時器開始計時，到設定值時，T33得電動作，移位寄存器值右移一位，計數器C21計數一次，然后T33重新計時。計數器C21計數十次后動作，使移位寄存器重新賦值，依次循環。QS控制正反轉，ON時I0.4得電，五相步進電動機正轉；OFF時，I0.4失電，五相步進電動機反轉。轉動啟/停開關SB1， M2.0失電，C2

15、1復位電機停止轉動。網絡1為啟停控制開關，按I0.0，M2.0得電，電機啟動。I0.1為低速選擇開，按下后，每隔0.5秒移位一次，I0.2為中速選擇開關，按下后，每隔0.1秒移位一次I0.3為高速選擇開關，按下后，每隔0.02秒移位一次。每次運行，只能選擇一種速度，故在每個回路中串入另外兩個開關的常閉觸點，實現互鎖。如圖2-4。圖2-4 啟停及選擋梯形圖移位寄存器賦初值，十拍后，重新賦初值。如圖2-5。圖2-5 移位寄存器賦初值T33是一個分辨率為10ms的計時器，設定值由存儲單元VW100設定，設定值由選擋開關SB2，SB3，SB4 決定。即使時間到，則執行右移指令。如圖2-6。 圖2-6

16、定時右移 網絡9中，C21為十拍計數裝置，計數十次，即十拍，C21得電動作，使自身復位重新計數，同時移位寄存器重新賦初值。如圖2-7。圖2-7 十拍計數裝置B，C，D，E 各相繞組，得電動作設計，如圖2-8。 圖 2-8 五相十拍步進電動機PLC控制梯形圖2.6程序指令表語句表Network 1 / 啟/停LD I0.0= M2.0Network 2 / 低速LD I0.1EUAN I0.2AN I0.3MOVW 50, VW100Network 3/ 中速LD I0.2EUAN I0.1AN I0.3MOVW 10, VW100Network 4 / 高速LD I0.3EUAN I0.1AN

17、 I0.2MOVW 2, VW100Network 5 / 移位寄存器賦初值LD M2.0O C21EUMOVW 2#, MW0Network 6/ 單拍計時LD M2.0AN M3.0TON T33, VW100Network 7 / 計時時間到重新計時LD T33= M3.0Network 8 / 計時時間到移位一次LD T33EUSRW MW0, 1Network 9 / 十拍計數LD M3.0LD C21ON M2.0CTU C21, 10Network 10/ A相LD M1.1O M0.0LD M1.0A I0.4OLDLD M0.1AN I0.4OLDA M2.0= Q0.0Ne

18、twork 11/ B相LD M1.0O M0.7O M0.6A I0.4LD M0.3O M0.2O M0.1AN I0.4OLDA M2.0= Q0.1Network 12 / C相LD M0.5O M0.4LD M1.0O M0.6A I0.4OLDLD M0.3AN I0.4OLDA M2.0= Q0.2Network 13 / D相LD M0.4O M0.3O M0.2A I0.4LD M0.7O M0.6O M0.5AN I0.4OLDA M2.0= Q0.3Network 14/ E相LD M0.2O M0.1O M0.0A I0.4LD M1.1O M1.0O M0.7AN I

19、0.4OLDA M2.0= Q0.4第3章 控制程序運行及調試3.1電機低速轉動時程序測試 圖3-1 低速測試時I0.1為低速選擇開關，按下后，每隔0.5秒移位寄存器移位一次，M2.0得電后，移位寄存器賦初值，電機開始轉動，且定時器開始計時，到設定值時，T33得電動作，移位寄存器值右移一位，計數器C21計數一次，然后T33重新計時。計數器C21計數十次后動作，使移位寄存器重新賦值，依次循環。3.2電機中速轉動時程序測試圖3-2 中速測試時I0.2為中速選擇開關，按下后，每隔0.1秒移位寄存器移位一次，M2.0得電后，移位寄存器賦初值，電機開始轉動，且定時器開始計時，到設定值時，T33得電動作，

20、移位寄存器值右移一位，計數器C21計數一次，然后T33重新計時。計數器C21計數十次后動作，使移位寄存器重新賦值，依次循環。3.3電機高速轉動時程序測試圖3-3 高速測試時I0.3為高速選擇開，按下后，每隔0.5秒移位寄存器移位一次，M2.0得電后，移位寄存器賦初值，電機開始轉動，且定時器開始計時，到設定值時，T33得電動作，移位寄存器值右移一位，計數器C21計數一次，然后T33重新計時。計數器C21計數十次后動作，使移位寄存器重新賦值，依次循環。QS控制正反轉，ON時I0.4得電，五相步進電動機正轉；OFF時，I0.4失電，五相步進電動機反轉。轉動啟/停開關SB1， M2.0失電，C21復位

21、電機停止轉動。設計總結這次機電傳動與控制課程設計，我的選題是五相單雙十拍步進電動機控制程序的設計與調試。最初拿到題目我感到無從下手，一連兩天沒有一點思路，這時王老師給我提供了一些建議和指導，讓我用移位指令進行嘗試。在老師的耐心指導下，我頓時恍然大悟，于是搜集相關資料開始了設計。我通過參考網上的同類型設計成果，綜合考慮自己的特有要求，對原作進行了必要的改進和補充，最終形成了這個設計結果，經過調試，能夠滿足相應要求。由于時間有限，知識水平尚未達到一定高度，設計結果還有進一步完善的地方，以后有時間，將會繼續完善。謝 辭關于這次課程設計，首先感謝王宗才老師的指導和幫助，設計過程中給予了我很大的指導和幫助，在此我首先表示感謝。 本課題在選題及研究過程中老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。老師以其嚴謹求實的治學態度、高度的敬業精