【正文】 .................................................................................. 28 參考文獻 ..................................................................................................................... 29 致謝 ............................................................................................................................. 30 附錄 ............................................................................................................................. 31 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的步進電機的控制 1 第一章 緒論 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(xué)家首先研制成功的。本文主要論述了步進電機的原理及驅(qū)動方法，并在 S7200 PLC 的基礎(chǔ)上，對步進電機進行控制。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告 題 目 基于 PLC的步進電機的控制 基于 PLC 的步進電 機的控制 i 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(guān)量和模擬量的調(diào)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(yīng)用上已經(jīng)基本滿足用戶的需求了。但隨著應(yīng)用需求及關(guān)聯(lián)產(chǎn)品技術(shù)性能的提升， PLC 將繼續(xù)得已完善和發(fā)展。本設(shè)計選用 PLC 控制兩相混合式步進電機，在 PLC 編程的基礎(chǔ)上用按鈕開關(guān)控制步進電機的啟動、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn) 等基本功能。它采用可 編程序的存儲器，其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、計數(shù)和算術(shù)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。 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(yīng)用，成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無法滿足這一要求，迫使人們?nèi)ふ乙环N新的控制裝置取 而代之。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。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(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。這樣，即使某個 CPU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器 [1]。步進電機無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的步進電機的控制 2 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(nèi)輸人的脈沖數(shù) (即脈沖頻 率 )成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關(guān)。步進電機具有較好的控制性能，其啟動、停車、反轉(zhuǎn)及其它任何運行方式的改變都可在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，且可獲得較高的控制精度，因而廣泛應(yīng)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。因此如何實現(xiàn) PLC 控制步進電機的通用控制電路設(shè)計方法有著實際生產(chǎn) 意義。 20 世紀 70年代初出現(xiàn)了微處理器。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)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。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 Logic Controller（ PLC）。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)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。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。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。在這時期， 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(luò)能力得到大幅度提高， PLC 逐漸進入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的步進電機的控制 3 在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的 DCS 系統(tǒng)。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(zhuǎn)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(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。 小型 PLC 從產(chǎn)生到現(xiàn)在，實現(xiàn)了接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(guān)量和模擬量的調(diào)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(yīng)用上已經(jīng)基本滿足用戶的需求了。 我國可編程控制器的引進、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴大了 PLC 的應(yīng)用。可以預(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入， PLC 在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。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(shè)計 S7200 PLC 程序，實現(xiàn)主站 PLC 對步進電機的控制。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(fù)雜、排除故障非常困難而且要花費大量的時間。 1968 年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司（ GM），為了適應(yīng)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(shè)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(jié)合起來，制成一種通用控制裝置，提出了研制 PLC 的基本設(shè)想： ，可在現(xiàn)場修改程序； 便，最好是插件式結(jié)構(gòu)； ； 裝置； 算機； ； 交流 115V； 115V， 2A 以上，能直接驅(qū)動電磁閥； ，原有系統(tǒng)只需做很小的改動； 4K。從此，這一更新技術(shù)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 CAD／ CAM）之一。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。通過閱讀 PLC 的使用手冊或短期培訓(xùn)，電氣技術(shù)人員或技術(shù)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。用戶在硬 件方面的設(shè)計工作只是確定 PLC 的硬件配置和外部接線。 通用性強，適應(yīng)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)。 可靠性高，抗干擾能力強 絕大多數(shù)用戶都將可靠性作為選擇控制裝置的首要條件。 PLC 的平均無故障間隔時間高，如日本三菱公司的 F 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。 PLC 的梯形圖程序很容易掌握，設(shè)計和調(diào)試梯形圖所花的時間比設(shè)計繼電器系統(tǒng)電路圖花的時間要少得多。 PLC 或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構(gòu)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。 體積小，能耗低 以 F1 意 40M 型 PLC 為例，其外形尺寸為 305 ll0 110mm，功耗小于 25VA。 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的步進電機的控制 6 PLC 的系統(tǒng)構(gòu)成 PLC 實際上是一種工業(yè)控制計算機。 CPU 是 PLC 的核心，其作用類似于人的大腦。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。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。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(shè)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。輸出單元接收經(jīng)過 CPU 處理過的輸出數(shù)字信號，并把它轉(zhuǎn)換成被控制設(shè)備或顯示裝置所能接收的電壓或電流信號，以驅(qū)動接觸器、電磁閥和指示器件等。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。 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。 PLC 擴展模塊內(nèi)不設(shè) 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。其中編程器是 PLC 必不可少 的重要外圍設(shè)備，由鍵盤、顯示器、工作方式選擇開關(guān)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(diào)試和修改，并用來監(jiān)視 PLC 的工作狀態(tài)。簡易型編程器只能聯(lián)機編程，且需將梯形圖轉(zhuǎn)化為助記符后才能送入?，F(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(diào)試。當與監(jiān)視器相連時可將控制過程圖象顯示出來。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(jié)合的綜合系統(tǒng)。指令格式如表21 所示。這些值都放在特定的特殊存儲區(qū)（ SM），如表 4 所示。 表 22 脈沖輸出（ 或 ）的特殊存儲器 和 對 PTO/PWM 輸出的控制字節(jié) 說明 PTO/PWM 刷新周期值 0 ：不刷新； 1 ：刷新 PWM 刷新脈沖寬度值 0 ：不刷新； 1：刷新 PTO 刷新脈沖計數(shù)值 0 ：不刷新； 1：刷新 PTO/PWM 時基選擇 0 ： 1 181。 注意：所有控制位、周期、脈沖寬度和脈沖計數(shù)值的默認值均為零。 （ 2）狀態(tài)字節(jié)的特殊存儲器 除了控制信息外，還有用于 PTO 功能的狀態(tài)位，如表 2 所示。可以通過程序來讀取相關(guān)位的狀態(tài)，用此狀態(tài)作為判斷條件，實現(xiàn)相應(yīng)的操作。狀態(tài)字節(jié)中的最高位（空閑位）用來指示脈沖串輸出是否完成。 （ 1）周期和脈沖數(shù) 周期范圍從 50 微秒至 65,535 微秒或從 2 毫秒至 65,535 毫秒，為 16 位無符號數(shù)，時基有μ s 和 ms 兩種，通過控制字節(jié)的第三位選擇。 周期設(shè)定奇數(shù)微秒或毫秒（例如 75 毫秒），會引起波形失真。 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的步進電機的控制 10 （ 2） PTO 的種類及特點 PTO 功能可輸出多個脈沖串，現(xiàn)用脈沖串輸出完成時，新的脈沖串輸出立即開始。 PTO 功能允許多個脈沖串排隊，從而形成流水線。 單段流水線是指：流 水線中每次只能存儲一個脈沖串的控制參數(shù)，初始 PTO段一旦起動，必須按照對第二個波形的要求立即刷新 SM，并再次執(zhí)行 PLS 指令，第一個脈沖串完成，第二個波形輸出立即開始，重復(fù)此這一步驟可以實現(xiàn)多個脈沖串的輸出。輸出多個高速脈沖時，編程復(fù)雜。 CPU224 本機集成了： (1) 14 輸入 /10 輸出，共 24 個數(shù)字量 I/O 點； (2) 可連接 7 個擴展模塊，最大可擴展至 168 路數(shù)字量 I/O 點或 35 路模擬量 I/O 點； （ 3 ) 13KB 程序和數(shù)據(jù)存儲空間； （ 4） 6 個獨立的 30kHZ 高速計數(shù)器， 2 路獨立的 20kHZ 高速脈沖輸出； (5) 具有 PID 控制器； (6) 1 個 RS485 通信 /編程口； (7) 具有 PPI 通信協(xié)議； (8) 具有 MPI 通信協(xié)議； (9) 具有自由方式通信能力； (10) I/O 端子排可很容易地整體拆卸。 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的步進電機的控制 11 (1) RUN 方式：在 RUN 方式下， CPU 執(zhí)行用戶程序。 (3) TERM 方式：在 TERM 方式下，允許使用工業(yè)編程軟件 STEP 7Micro/WIN32 來控制 C