【正文】 PLC) 是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是在 20 世紀(jì) 60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國(guó)科學(xué)家首先研制成功的。本文主要論述了步進(jìn)電機(jī)的原理及驅(qū)動(dòng)方法，并在 S7200 PLC 的基礎(chǔ)上，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告 題 目 基于 PLC的步進(jìn)電機(jī)的控制 院 系 中德機(jī)電 學(xué)院 專 業(yè) 電氣自動(dòng)化 技術(shù) 班 級(jí) 1001 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 100101287 指導(dǎo)教師 ******* 2021 年 4 月 基于 PLC 的步進(jìn)電機(jī)的控制 i 基于 PLC 的步進(jìn)電機(jī)的控制 摘要 :小型 PLC 在編程， I/O 擴(kuò)展，通訊接口，開(kāi)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(jì)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(jì)選用 PLC 控制兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，在 PLC 編程的基礎(chǔ)上用按鈕開(kāi)關(guān)控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn) 等基本功能。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)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(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無(wú)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(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、 I/O 以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程 序中的語(yǔ)法錯(cuò)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(yùn)行，直到停止運(yùn)行。這樣，即使某個(gè) CPU 出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能 正常運(yùn)行。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器 [1]。步進(jìn)電機(jī)無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 PLC 的步進(jìn)電機(jī)的控制 2 的輸出位移量與輸人脈沖個(gè)數(shù)成正比，其速度與單位時(shí)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(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)具有較好的控制性能，其啟動(dòng)、停車(chē)、反轉(zhuǎn)及其它任何運(yùn)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(jī)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(shí)現(xiàn) PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的通用控制電路設(shè)計(jì)方法有著實(shí)際生產(chǎn)意義。 20 世紀(jì) 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(yǔ)言，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)元件都以繼電器命名。個(gè)人計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱 PC）發(fā)展起來(lái)后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為 Programmable Logic Controller（ PLC）。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、 PID 功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。在這時(shí)期， PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高， PLC 逐漸進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 PLC 的步進(jìn)電機(jī)的控制 3 在過(guò)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(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來(lái)說(shuō)，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(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機(jī)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(shí)現(xiàn)了接線邏輯到存儲(chǔ)邏輯的飛躍；其功能從弱到強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進(jìn)步；如今的小型 PLC 在編程， I/O 擴(kuò)展，通訊接口，開(kāi)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(jì)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(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開(kāi)放開(kāi)始的。接下來(lái)在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了 PLC 的應(yīng)用。可以預(yù)期，隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的深入， PLC 在我國(guó)將有更廣闊的應(yīng)用天地。掌握步進(jìn)電機(jī)的電氣控制試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理，基于該系統(tǒng)設(shè)計(jì) S7200 PLC 程序，實(shí)現(xiàn)主站 PLC 對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。但是，這些控制裝置體積大、動(dòng)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(fèi)大量的時(shí)間。 1968 年，美國(guó)最大的汽車(chē)制造商通用汽車(chē)公司（ GM），為了適應(yīng)汽車(chē)型號(hào)的不斷翻新，想尋找一種方法，以盡可能減少重新設(shè)計(jì)繼電器控制系統(tǒng)和接線、降低成本、縮短時(shí)間，而考慮把計(jì)算機(jī)的功能完善、通用靈活等優(yōu)點(diǎn)與繼電器控制的簡(jiǎn) 單易懂、操作方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，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(chǎng)修改程序； 便，最好是插件式結(jié)構(gòu)； ； 裝置； ； ； 交流 115V； 115V， 2A 以上，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥； ，原有系統(tǒng)只需做很小的改動(dòng)； 4K。從此，這一更新技術(shù)就以很快的速度發(fā)展起來(lái)，現(xiàn)代的 PLC 已成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（ PLC，機(jī)器人和 CAD／ CAM）之一。梯形圖語(yǔ)言的電路符號(hào)和表達(dá)方式與繼電器電路原理圖非常接近。 通過(guò)閱讀 PLC 的使用手冊(cè)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(shí)間就可以熟悉梯形圖語(yǔ)言，并用來(lái)編制用戶程序。用戶在硬件方面的設(shè)計(jì)工作只是確定 PLC 的硬件配置和外部接線。 通用性強(qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng) PLC 的生產(chǎn)具有系列化和模塊化特點(diǎn)，硬件配置相當(dāng)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(qiáng) 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(wú)故障間隔時(shí)間高，如日本三菱公司的 F F2 系列 PLC 的平均無(wú)故障間隔時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 30 萬(wàn)小時(shí)，這是一般微機(jī)所不能比擬的。 PLC 的梯 形圖程序很容易掌握，設(shè)計(jì)和調(diào)試梯形圖所花的時(shí)間比設(shè)計(jì)繼電器系統(tǒng)電路圖花的時(shí)間要少得多。 PLC 或外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，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(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 PLC 的步進(jìn)電機(jī)的控制 6 PLC 的系統(tǒng)構(gòu)成 PLC 實(shí)際上是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。 CPU 是 PLC 的核心，其作用類似于人的大腦。另外，它還能識(shí)別用戶所輸入的指令序列的格式和語(yǔ)法錯(cuò)誤，還具有系統(tǒng)測(cè)試與診斷功能。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)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(pán)輸入處理程序、指令解釋程序、監(jiān)控程序等。用戶程序存儲(chǔ)器主要存放用戶程序（用戶利用 PLC 的編程語(yǔ)言按不同控制要求所編制的控制程序或數(shù)據(jù)，這相當(dāng)于設(shè)計(jì)繼電器控制系統(tǒng)硬接線的控制電路圖），可通過(guò)編程器進(jìn)行修改。輸出單元接收經(jīng)過(guò) CPU 處理過(guò)的輸出數(shù)字信號(hào)，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(hào)，以驅(qū)動(dòng)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(chǎng)使用，供電穩(wěn)定、安全可靠。 PLC 還有各種接口， PLC 通過(guò)這些接口可與監(jiān)視器、打印機(jī)、其它的 PLC或計(jì)算機(jī)等相連。 PLC 擴(kuò)展模塊內(nèi)不設(shè) CPU，僅對(duì) I/O 通道進(jìn)行擴(kuò)展，不能脫離主機(jī)獨(dú)立實(shí)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(pán)、顯示器、工作方式選擇開(kāi)關(guān)和外存儲(chǔ)器接插口等部件組成，主要用于對(duì)用戶程序進(jìn)行輸入、檢查、調(diào)試和修改，并用來(lái)監(jiān)視 PLC 的工作狀態(tài)。簡(jiǎn)易型編程器只能聯(lián)機(jī)編程，且需將梯形圖轉(zhuǎn)化為助記符后才能送入。現(xiàn)在也可在個(gè)人計(jì)算機(jī)上填加適當(dāng)?shù)挠布涌?，利用生產(chǎn)廠家提供的編程軟件包就可將計(jì)算機(jī)作為編程器使用，而且還可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)試。當(dāng)與監(jiān)視器相連時(shí)可將控制過(guò)程圖象顯示出來(lái)。當(dāng) PLC 與計(jì)算機(jī)相連時(shí)，可組成多級(jí)控制系統(tǒng)，實(shí)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(chǔ)區(qū)（ SM），如表 4 所示。 表 22 脈沖輸出（ 或 ）的特殊存儲(chǔ)器 和 對(duì) PTO/PWM 輸出的控制字節(jié) 說(shuō)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(jì)數(shù)值 0 ：不刷新； 1：刷新 PTO/PWM 時(shí)基選擇 0 ： 1 181。 注意：所有控制位、周期、脈沖寬度和脈沖計(jì)數(shù)值的默認(rèn)值均為零。 （ 2）狀態(tài)字節(jié)的特殊存儲(chǔ)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?？梢酝ㄟ^(guò)程序來(lái)讀取相關(guān)位的狀態(tài)，用此狀態(tài)作為判斷條件，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作。狀態(tài)字節(jié)中的最高位（空閑位）用來(lái)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(wú)符號(hào)數(shù)，時(shí)基有μ s 和 ms 兩種，通過(guò)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(huì)引起波形失真。 無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 PLC 的步進(jìn)電機(jī)的控制 10 （ 2） PTO 的種類及特點(diǎn) PTO 功能可輸出多個(gè)脈沖串，現(xiàn)用脈沖串輸出完成時(shí)，新的脈沖串輸出立即開(kāi)始。 PTO 功能允許多個(gè)脈沖串排隊(duì)，從而形成流水線。 單段流水線是指：流水線中每次只能存儲(chǔ)一個(gè)脈沖串的控制參數(shù)，初始 PTO段一旦起動(dòng)，必須按照對(duì)第二個(gè)波形的要求立即刷新 SM，并再次執(zhí)行 PLS 指令，第一個(gè)脈沖串完成，第二個(gè)波形輸出立即開(kāi)始，重復(fù)此這一步驟可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)脈沖串的輸出。輸出多個(gè)高速脈沖時(shí)，編程復(fù)雜。 CPU224 本機(jī)集成了： (1) 14 輸入 /10 輸出，共 24 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)； (2) 可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大可擴(kuò)展至 168 路數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)； （ 3 ) 13KB 程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間； （ 4） 6 個(gè)獨(dú)立的 30kHZ 高速計(jì)數(shù)器， 2 路獨(dú)立的 20kHZ 高速脈沖輸出； (5) 具有 PID 控制器； (6) 1 個(gè) 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(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 PLC 的步進(jìn)電機(jī)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(lái)控制 CPU 的工作方式。 掃描周期 在 RUN 方式下，系統(tǒng)周期性地循環(huán)執(zhí)行用戶程序。整個(gè)掃描過(guò)程包括內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新 5 個(gè)階段。即全部輸入輸出狀態(tài)的改變，需要一個(gè)掃描周期。 S7200 系列主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)： (1)極高的可靠性； (2)易于掌握； (3)極其豐富的指令集； (4)便捷的操作特性； (5)實(shí)時(shí)特性； (6)豐富的內(nèi)置集成功能； (7)強(qiáng)大的通信能力； (8)豐富的擴(kuò)展模塊。繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。向五相和三相電動(dòng)機(jī)方向發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電 動(dòng)機(jī)，其振動(dòng)和噪聲較大，而五相和三相電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)勢(shì)性。 目前利用可編程序控制器（ PLC）可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度和位置的控制，方便地進(jìn)行各種步進(jìn)電機(jī)的操作，完成各種復(fù)雜的工作，它代表了先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化革命，加速了機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)。 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當(dāng)對(duì)其施加一個(gè)電脈沖時(shí)，其輸出軸便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度。所以只要控制指令脈沖的無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于 PLC 的步進(jìn)電機(jī)的控制 13 數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電的相序，便可控制步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向。并且， PLC 有采用大功率晶 體管的輸出端口，能夠滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù) 10V 級(jí)脈沖電壓、 1A級(jí)脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸人脈沖個(gè)數(shù)成正比，其速度與單位時(shí)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(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。當(dāng)它轉(zhuǎn)一周后，沒(méi)有累積誤差，具有良 好的跟隨性。同時(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。 6）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩。 8）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn) 角的 35%，且不累積。 10）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大 而相