plc課程設計--三相六拍步進電動機控制程序的設計與調試

1、<p><b>　　機電工程學院</b></p><p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　設計題目: 三相六拍步進電動機控制程序的設計與調試 </p><p>　　學生姓名： ***

2、 </p><p>　　專業(yè)班級： 機制***** </p><p>　　學 號： ************ </p><p>　　指導教師： *** </p><p>　　2012 年 12 月 08 日</p><p><b>

3、　　內容摘要</b></p><p>　　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(yè)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, 而且對工業(yè)現場的惡劣環(huán)境適應性差, 可靠性不高。</p><p>　　使用PLC可編程控制器實現三相六

4、拍步進電動機驅動，可使步進電動機東芝的抗干擾能力強，可靠性高，同時，由于實現了模塊化結構，是系統(tǒng)結構十分靈活，而且編程語言簡短易學，便于掌握，可以進行在線修改，柔性好，體積小，維修方便。 </p><p>　　本設計是利用PLC做三相六拍步進電動機的控制核心，用按鈕開關的通斷來實現對步進電機正,反轉控制，而且正，反轉切換無須經過停車步驟。其次可以通過對按鈕的控制來實現對高，低速度的控制。充分發(fā)揮PLC的功能，最

5、大限度地滿足被控對象的控制要求，是設計PLC控制系統(tǒng)的首要前提，這也是設計最重要的一條原則。本設計更加便于實現對步進電機的制動化控制。</p><p>　　關鍵詞：PLC控制;三相六拍;步進電動機;電機正反轉</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　引 言1</b></p>

6、<p>　　第1章 步進電動機和PLC簡介2</p><p>　　1.1 步進電動機2</p><p>　　1.1.1三相六拍步進電動機2</p><p>　　1.2 PLC簡介3</p><p>　　1.2.1可編程控器概述3</p><p>　　1.2.2 可編程控制器的定義3</

7、p><p>　　1.2.3 PLC的特點3</p><p>　　第2章 三相六拍步進電動機控制程序的設計5</p><p>　　2.1控制程序流程圖及軟件模塊5</p><p>　　2.2 梯形圖程序設計7</p><p>　　2.2.1 CPU的選擇7</p><p>　　2.2.2輸入

8、輸出編址7</p><p>　　2.2.3狀態(tài)真值表7</p><p>　　2.3梯形圖程序8</p><p>　　2.4 三相六拍步進電機控制語句表12</p><p>　　2.5 程序的運行及調試14</p><p>　　2.6 I/O接線圖16</p><p><b>

9、;　　結 論17</b></p><p><b>　　設計總結18</b></p><p><b>　　謝 辭19</b></p><p><b>　　參考文獻20</b></p><p><b>　　引 言</b></p&g

10、t;<p><b>　　1.課 題 內 容</b></p><p>　　用PLC控制三相六拍電動機，控制要求如下：</p><p>　　1.三相步進電動機有三個繞組：A,B,C,</p><p>　　正轉通電順序為：A→AB→B→BC→C→CA→A</p><p>　　反轉通電順序為：A→CA→C→BC→B

11、→AB→A</p><p>　　2.要求能實現正，反轉控制，而且正，反轉切換無須經過停車步驟。</p><p><b>　　3．就有兩種轉速：</b></p><p>　　1號開關合上，則轉過一個步距角需0.5秒。</p><p>　　2號開關合上，則轉過一個步距角需0.05秒。</p><p>

12、　　4．要求步進電動機轉動100個步距角后自動停止運行。</p><p><b>　　2.課題要求</b></p><p>　　1．列出輸入輸出點分配表；</p><p>　　2．畫出PLC的輸入輸出設備的接線圖；</p><p>　　3.利用STEP7-Micro/WIN32軟件完成梯形圖，指令表的程序設計與調試；&l

13、t;/p><p>　　4．完成課程設計說明書。</p><p><b>　　3.設計思想</b></p><p>　　步進電機的速度控制是通過改變輸入脈沖的頻率高低實現的。當發(fā)生脈沖的頻率減小時，步進電機的速度就下降;當頻率增加時，速度就加快。還可以用過頻率的改變來提高步進電機的位置精度。</p><p>　　以移位指令為步

14、進控制的主體進行程序設計，可較好的滿足上述設計要求。</p><p>　　第1章 步進電動機和PLC簡介</p><p><b>　　1.1 步進電動機</b></p><p>　　步進電機是一種將電脈沖信號變換成相應的角移位或直線移位的開環(huán)執(zhí)行元件。給定一個電脈沖信號，步進電機轉子就轉過相應的角度，這個角度就稱為該步進電機的步距角。當我們給

15、步進電機一個電脈沖信號，步進電機就轉過一個步距角。以此類推，連續(xù)給定脈沖信號，步進電機就可以連續(xù)運轉。步進電機的使用需要電脈沖信號發(fā)生器的配合，它按照給定的設置重復喂為步進點輸送電脈沖信號，目前這種信號大多數由可編程控制器(PLC)或單片機來完成。</p><p>　　1.1.1三相六拍步進電動機</p><p>　　三相六拍步進電機是一典型單定子、徑向分相、反應式伺服電機。其結構原理圖它

16、與普通電機一樣, 分為定子和轉子兩部分, 其中定子又分為定子鐵芯和定子繞組。定子鐵芯由電工鋼片疊壓而成。定子繞組繞制在定子鐵芯上, 六個均勻分布齒上的線圈, 在直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯在一起, 構成一相控制繞組。三相步進電機可構成三相控制繞組, 若任一相繞組通電, 便形成一組定子磁極。在定子的每個磁極上, 即定子鐵芯上的每個齒上開了五個小齒, 齒槽等寬, 齒間夾角為9°, 轉子上沒有繞組, 只有均勻分布的個40小齒,

17、 齒槽也是等寬的, 齒間夾角也是, 與磁極上的小齒一致。此外, 三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開1／3齒距,。當A相磁極上的小齒與轉子上的小齒對齊時, B相磁極上的齒剛好超前或滯后轉子齒輪1／3齒距角, C相磁極齒超前或滯后轉子齒2／3齒距角。</p><p>　　三相六拍步進電機的工作原理；當A相繞組通電時, 轉子的齒與定子AA上的齒對齊。若A相斷電, B相通電, 由于磁力的作用, 轉子的齒與定子BB上

18、的齒對齊, 轉子沿順時針方向轉過3°, 如果控制線路不停地按A→B→C→A的循環(huán)順序控制步進電機繞組的通電、斷電, 步進電機的轉子便不停地順時針轉動, 這是三相三拍。而當AB同時通電時, 由于兩個滋力的作用, 定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次, 轉子轉過1.5°，原理與三相三拍相同,從而形成三相六拍, 其通電順序為：</p><p><b>　　1.2 PLC簡介</b>&l

19、t;/p><p>　　1.2.1可編程控器概述</p><p>　　可編程控制器(Programmable Controller)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應用而設計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這種裝置的功能已經大大超過了邏輯控制的范圍，因此，

20、今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。</p><p>　　1.2.2 可編程控制器的定義</p><p>　　可編程控制器簡稱PC（英文全稱：Programmable Controller），它經歷了可編程序矩陣控制器PMC、可編程序順序控制器PSC、可編程序邏輯控制器PLC（英文全

21、稱：Programmable Logic Controller）和可編程序控制器PC幾個不同時期。為與個人計算機（PC）相區(qū)別，現在仍然沿用可編程邏輯控制器這個老名字。 </p><p>　　1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義： </p><p>　　“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用

22、而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計?！?lt;/p><p>　　1.2.3 PLC的特點</p><p>　　1.可靠性高，抗干擾能力強 &

23、lt;/p><p>　　PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的1/10~1/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。 </p><p>　　高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的F系列PLC平均無故

24、障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了

25、。 </p><p>　　2.硬件配套齊全，功能完善，適用性強 </p><p>　　PLC發(fā)展到今天，已經形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產品，并且已經標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有較強的帶負載能力，可直接驅動一般的電磁閥和交流接觸器

26、，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 </p><p>　　3.易學易用，深受工程技術人員歡迎 </p><p>　　PLC作為通用

27、工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 </p><p>　　4.系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量小，維護方便，容易改造 </p><p>　

28、　PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設計法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設計時間比設計繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。 </p><p>　　PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。 </p><

29、;p>　　5.體積小，重量輕，能耗低 </p><p>　　以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，僅相當于幾個繼電器的大小，因此可將開關柜的體積縮小到原來的1/2~1/10。它的重量小于150g，功耗僅數瓦。因體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。</p><p>　　第2章 三相六拍步進電動機控制程序的設計</p><p&

30、gt;　　2.1控制程序流程圖及軟件模塊</p><p>　　由上述具體控制要求，可作出步進電機在啟動運行時的程序框圖，如下圖所示。以工作框圖為依據，結合考慮控制的具體要求，首先可將梯形圖程序分成4個模塊進行編程，即模塊1：步進速度選擇：模塊2：起動，停止和清零;模塊3：移位步進控制功能模塊；模塊4：A,B,C三相套組對象控制。然后，在將模塊進行連接，最后經過調試，完善，實現控制要求。</p>&l

31、t;p>　　控制程序流程圖見下頁圖2.1。</p><p>　　圖 2.1 控制程序流程圖</p><p>　　2.2 梯形圖程序設計</p><p>　　2.2.1 CPU的選擇</p><p>　　本次設計要求正反轉和高低速控制共五個輸入接口，控制A,B，C三相繞組三個輸出接口，所以選用CPU221,六個輸入，四個輸出滿足控制要求。

32、</p><p>　　2.2.2輸入輸出編址</p><p>　　控制步進電機的歌輸入開關及控制A,B,C三相繞組工作的輸出端在PLC中的I/O地址分配表如表2-1所示。</p><p>　　表 2-1 I/O地址分配表</p><p>　　2.2.3狀態(tài)真值表</p><p>　　采用移位指令進行步進控制。每右移1位

33、，電機前進一個步距角，據此，可作出移位寄存器輸出狀態(tài)及步進電機正反轉繞組的狀態(tài)真值表，從而得出三相繞組的控制邏輯關系式。</p><p><b>　　正轉時：</b></p><p>　　A相 Q0.0=M0.5+M0.4+M0.0</p><p>　　B相 Q0.1=M0.4+M0.3+M0.2</p><p>　

34、　C相 Q0.2=M0.2+M0.1+M0.0</p><p><b>　　反轉時：</b></p><p>　　A相 Q0.0=M0.5+M0.4+M0.0</p><p>　　B相 Q0.1=M0.2+M0.1+M0.0</p><p>　　C相 Q0.2=M0.4+M0.3+M0.2</p>

35、;<p>　　移位寄存器輸出狀態(tài)及步進電機繞組狀態(tài)真值表如下表所示：</p><p>　　表2-2 移位寄存器輸出狀態(tài)及步進電機繞組狀態(tài)真值表</p><p><b>　　2.3梯形圖程序</b></p><p>　　SIMATIC S7-200系列是西門子公司的可編程控制器，這一系列產品可以滿足多種多樣的自動化控制要求，由于具有

36、緊湊的設計、良好的擴展性、低廉的價格以及強大的指令，使得S7-200 PLC可以滿足小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的CPU類型和電壓等級使其在解決用戶的工業(yè)自動化問題時，具有很強的是適用性。 根據程序模塊及三相繞組的控制邏輯關系，可繪出梯形圖控制程序。程序如下：</p><p>　　2.4 三相六拍步進電機控制語句表</p><p>　　2.5 程序的運行及調試</p>

37、<p>　　1、啟動s7_200模擬軟件，配置cpu型號為221，如下圖所示：</p><p><b>　　圖2.2 運行1</b></p><p>　　2、載入程序，啟動軟件，打開監(jiān)控，如下圖所示：</p><p><b>　　圖2.3 運行2</b></p><p>　　3、高速正

38、轉運行正常，如下圖所示：</p><p><b>　　圖2.4 運行3</b></p><p>　　4、低速正轉運行正常，如下圖所示：</p><p><b>　　圖2.5 運行4</b></p><p>　　5、C20計數100拍后自動停車，如下圖所示：</p><p>&

39、lt;b>　　圖2.6 運行5</b></p><p>　　2.6 I/O接線圖</p><p>　　PLC接線圖如下圖所示：</p><p>　　圖2.7 I/O接線圖</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　在進行程序設計時，首先應明確對象的具體控制

40、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，最長可達兩個多掃描周期，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，應使程序盡量簡捷、緊湊。另一方面，同一個控制對象，根據生產的工藝流程的不同，控制要求或控制時序會發(fā)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。以移位指令為步進控制的主體進行程序設計，可較好地滿足上述設計要求。步進電機的控制程序設計，

41、可有多種方法，比如，用順控指令(SCRSCRT、SCRE)編程，程序沒有復雜的邏輯關系，設計比較方便，但由于每一次步進切換都須經過對狀態(tài)的開始、轉換和結束處理，會令程序的網絡數大大增加 ；或可用許多的定時器實現各步距角的時間控制，以及變速時間間隔的設置等，則程序冗長、松散；也可以用定時器結合比較指令控制各步進時段，但會使各網絡變得復雜，彼此之間的邏輯關系不甚清晰，程序也會比較長。而以移位指令作為步進控制的主體編程，獲得的程序簡捷、清晰，

42、且程序模塊間的邏輯關系十分明確。</p><p>　　以移位指令作為步進控制主體編程的另一長處就是程序的柔性好，非常容易修改。如果要求電機在運行過程中步進速度可任意加、減，而不是僅有三檔速度，此時任何變速實際上只是改變移位指令的執(zhí)行速度，即改變移位脈沖的發(fā)生周期(VWl00)，其他所有網絡均可不變。</p><p><b>　　設計總結</b></p>

43、<p>　　機電傳動與控制是一門側重應用方向的學科。所以要多一點實踐。不要看不起小的項目，在其中你能總結出設計程序的邏輯思維方法，總結中不斷進步。</p><p>　　在學完PLC理論課程后我們做了課程設計，此次設計以分組的方式進行，每組同學的題目也都不相同。我做的是三相六拍步進電動機控制程序的設計與調試。由于平時大家都是學理論，沒有過實際開發(fā)設計的經驗，拿到的時候都不知道怎么做。但通過各方面的查資料并

44、學習。我們基本學會了PLC設計的步聚和基本方法。分組工作的方式給了我與同學合作的機會，提高了與人合作的意識與能力。</p><p>　　通過這次設計實踐。我學會了PLC的基本編程方法，對PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在對理論的運用中，提高了我們的工程素質，在沒有做實踐設計以前，我們對知道的撐握都是思想上的，對一些細節(jié)不加重視，當我們把自己想出來的程序與到PLC中的時候，問題出現了，不是不能運行，就

45、是運行的結果和要求的結果不相符合。能過解決一個個在調試中出現的問題，我們對PLC 的理解得到加強，看到了實踐與理論的差距。</p><p>　　在課程設計過程中我了解到，PLC并不是一門單一的編程技術，它是一門系統(tǒng)專業(yè)課程。PLC可以廣義的認為是一臺背嵌入操作系統(tǒng)的高可靠性PC機。首先需要精深PLC本身的編程語言梯形圖、語句表語言。達到這個水平你只能讀懂編好的程序，并可以設計一些工程需要程序。在一些大型程序中還需

46、要用到數據庫的知識，PLC入門很快但要不斷進取努力。</p><p>　　通過合作，我們的合作意識得到加強，合作能力得到提高。上大學后，很多同學都沒有過深入的交流，在設計的過程中，我們大家就自己遇到的問題相互討論，以解決個人不能解決的問題，同時我們還向別的同學請教，在這過程也提高了我們的表達能力。</p><p>　　在設計的過程中我們還得到了老師的幫助與意見。在學習的過程中，不是每一個問

47、題都能自己解決，向老師請教或向同學討論是一個很好的方法。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]王宗才，機電傳動與控制.北京：電子工業(yè)出版社，2011：247-260</p><p>　　[2]程憲平，機電傳動與控制 .華中科技大學出版社，2003：102-110</p><p>　　[

48、3]吳中俊，黃永紅.可編程控制器原理及應用.機械工業(yè)出版社，2003：57-66</p><p>　　[4]陳立定，蘇開才.電氣控制與可編程控制器.華南理工大學出版社，2001：42-45</p><p>　　[5]陳立定，電器控制與可編程控制器.廣東：華南理工大學出版社，2001：35-37</p><p>　　[6]吳中俊，黃永紅.可編程程序控制器原理及應用.北

49、京：機械工業(yè)出版社，2003:7-9</p><p>　　[7]于慶廣，可編程控制原理與系統(tǒng)設計.北京：清華大學出版社，2004:210-214</p><p>　　[8]史國生，電器控制與可編程控制器技術.北京：化學工業(yè)出版社，2003：235-239</p><p>　　[9]李媛，PLC原理與應用.北京：北京郵電大學出版社，2009：7-15</p>