本体控制步进电机设计设计.doc

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1、无锡科技职业学院毕业论文 S7200本体控制步进电机毕业设计（论文）报告 题 目S7200PLC本体控制步进电机设计 院 系 中德机电学院 专 业 机电一体化技术 班 级 机电1004 姓 名 蒋建国 学 号 100100948 指导教师 张如萍 完成日期 2012年10月28日 摘要PLC控制步进电机在许多工业系统中应用广泛，本文主要阐述了西门子S-7200的PLC,以及MAP库的应用。并以机械手为例，阐述S-7200PLC的本体控制步进电机的原理，以及通过使用MAP库来控制步进电机的速度和方向，从而达到控制机械手的目的。显著地提高了步进电机的性能，使步进电机运动平稳，速度快，噪音低，控制精

2、度高。其次也更加深了对PLC200的了解。 关键词： PLC 200 步进电机 AbstractPLC control of stepping motor has been widely applied in many industrial systems,This article mainly expounds the Siemens PLC, S - 7200, and the application of MAP database.And the manipulator as an example,the ontology of S 7200 PLC control principle

3、of stepper motor,Mainly through the use of the MAP library to control the speed and direction of step motor, thus achieve the goal of control of manipulator.Significantly improve the performance of a stepper motor,Make the step motor smooth movement, speed, low noise, high control precision,The seco

4、nd is a deepened understanding of PLC200. Keywords: PLC 200, Stepper motor目录摘要2Abstract21课题提出41.1选题背景42以机械手为例的步进控制设计52.1机械手控制部分和功能的介绍52.2控制要求63步进电机和驱动器63.1步进电机63.2步进电机驱动器74PLC的选型104.1西门子S7200PLC104.1.1S7系列PLC系统的组成104.1.2CPU22X系列主机单元CPU226的结构104.1.3CPU226的输入输出端子接线图124.2接线图135软件设计145.1高速输出指令145.2使用位控向

5、导编程155.3S7-200本体输出MAP库的使用195.4程序编写245.4.1主程序部分245.4.2子程序部分255.4运行295结束语29参考文献30致谢301课题提出 1.1选题背景随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个行业的控制领域都将有广泛应用。而现在的可编程控制器(通常称PLC) 是一种工业控制计算机，具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能，能充分适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高，是目前广泛应用的控制装置之一。控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子PLC本身带

6、有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为10KHz，能够满足步进电动机的要求。对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC最好是具有实时刷新技术的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使脉冲能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。如下图所示：PLC步进电机输入信号PLC控制具有以下优点：1)功能强，性能价格比高 一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件（如计时器，计数器，继电器等），有很强的功能，可以实现非常复

7、杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。2)硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强3)可靠性高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。4)系统的设计、安装、调试工作量少PL

8、C用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。5)编程方法简单6)维修工作量少，维修方便7)体积小，能耗低8)与时俱变，能实现网络通讯 9)对未来机械

9、升级很方便2以机械手为例的步进控制设计2.1机械手控制部分和功能的介绍机械手的三个坐标X,Y,Z分别由两台步进电机和一个气缸组成。X轴由步进电机M1通过丝杆驱动，行程开关SQ1为X轴参考点，SQ3为X轴的左限位开关，SQ4为X轴的右限位开关;Z轴由步进电机M2通过丝杆驱动，SQ2为Z轴参考点开关，SQ5为Z 的下限位开关，SQ6为Z轴上限位开关。机械手的功能1） 机械手的功能是将工件从Pos1的位置抓取放到Pos2的位置。2） 再由推料气缸推到Pos3的位置。3） B6接近开关检测Pos1位是否有工件；4） B7接近开关检测Pos2位是否有工件；5） B8接近开关检测Pos3位是否有工件。2.

10、2控制要求 本设计是采用是S7 200控制步进电机控制要求如下:1）X轴上有三个限位开关，Z轴有三个限位开关；2）X轴先回参考点，Z轴会参考点，；3）X轴运动到POS1的位置，完成相应动作后，Z轴下降，抓取物品后，Z轴上升，最后X轴运动到POS2的位置，Z轴将下降将物品放下，然后Z,Y,X先后轴回零点；POS1POS3的位置如下图2-1所示： 图2-13步进电机和驱动器3.1步进电机步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。在经历了一个大的发展阶段后，目前其发展趋于平缓。然而，由于电动机的工作原理和其它电动机有很大的差别，具有其它电动机所没有的特性。因此，沿着小型

11、、高效、低价的方向发展。步进电动机由此而得名。步进电动机的运行是在专用的脉冲电源供电下进行的，其转子走过的步数，或者说转子的角位移量，与输入脉冲数严格成正比。另外，步进电动机动态响应快，控制性能好，只要改变输入脉冲的顺序，就能方便地改变其旋转方向。这些特点使得步进电动机与其它电动机有很大的差别。因此， 步进电动机的上述特点，使得由它和驱动控制器组成的开环数控系统，既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠地工作。3.2步进电机驱动器1） DM402/402A定义上排端子下排端子引脚序号DMD402/402A引脚序号DMD402DMD402A1B-1EnaEna-2B+2comEna+3

12、A-3dirDir-4A+4pulDir+5DC+5Pul-6DC-6Pul+2） 控制端子 信号功能PulPul+/Pul-脉冲信号：此光隔输入端导通一次；电机一次步进。步进量取决于细分数设置。DirDir+/Dir-方向信号：此光隔输入端用于改变电机的转向，实际转向还取决于电机绕组的联接情况。Com光隔电源：+5V为各光电输入端提供电流，也可用更高的电源电压，介就采取限流措施，使流过光隔的电流不超过15mAEnaEna+/Ena-使能信号：此光隔输入端用于使能/禁止驱动器的输出部分，光耦导通时电机相电流被切断，转子处于自由状态（即脱机）；光耦不导通为使能状态。但此输入端不能屏蔽脉冲输入，因

13、此，当重新使其为使能状态时，驱动输出将根据禁止期间所接收的脉冲数发生改变。3） 输出端子信号功能DC-直流电源地DC+直流电源正极，电压范围+14V+40VA+ A-电机A相B+ B-电机B相4） 输入接口电路 DMD402/DMD402B输入信号采用共阴极接法，DMD402A既可以采用共阳极接法，也可以采用共阴极接法，在驱动器内部均经过光电隔离，接口电路如图3-1图3-1图3-2.DMD402A接口电路图（共阴极）图3-3DMD402A接口电路图（共阳极）4PLC的选型4.1西门子S7200PLC 4.1.1S7系列PLC系统的组成 西门子公司PLC在我国应用十分普遍，S7200系列属于小型

14、PLC，但许多功能已达到中型、甚至大型PLC的水平，其性价比很高，是目前应用很广泛的一种可编程控制器。S7200系列PLC是由基本单元（主机单元）、数字量扩展模块、模拟量扩展模块、通讯模块、人机界面等组成。4.1.2CPU22X系列主机单元CPU226的结构CPU22X系列PLC主单元产品有CPU221、CPU222、CPU224、CPU226四种基本型号。现以CPU224为例介绍CPU22X系列结构。CPU226的外部结构主要由状态指示灯、通讯口、前盖、接线端子、工作方式开关、模拟电位器、可选卡插槽、I/O指示灯等组成。CPU22X系列PLC主要性能见下表：特性CPU221CPU222CPU

15、224CPU224XPCPU224XPSICPU226外形尺寸90*80*6290*80*62120.5*80*62140*80*62190*80*62程序存储器：带运行模式下编辑不带运行模式下编辑4096字节 4096字节4096字节4096字节8192字节12288字节12288字节16384字节12288字节16384字节数据存储器2048字节2048字节8192字节10240字节10240字节掉电保护时间50小时50小时100小时100小时100小时本机I/O数字量模拟量6输入/4输出8输入/6输出14输入/10输出14输入/10输出2输入/1输出24输入/16输出扩展模块数量0277

16、7高速计数4路30KHZ4路30KHZ6路30KHZ6路30KHZ6路30KHZ单相两相2路20KHZ2路20KHZ4路20KHZ2路200KHZ3路30KHZ1路100KHZ2路200KHZ脉冲输出（DC）2路20KHZ2路20KHZ2路20KHZ2路100KHZ2路100KHZ模拟电位器11222实时时钟卡卡内置内置内置通讯口1 S-4851 S-4851 S-4851 S-4851 S-485浮点运算是数字I/O映像大小256(128输入/128输出)布尔指令执行速度0.22us/指令4.1.3CPU226的输入输出端子接线图1. 输入电路如图4-1所示，a)用作漏型输入，输入点是灌入电

17、流；b)用作源型输入，输入点是拉出电流；常用的是漏型输入。每个输入点的电流为4mA。C）是CPU224XP扩展型模拟量输入/输出接线图，CPU224XP扩展PLC带有2个点的模拟量输入和1个点的模拟量输出。 图4-1 2. 输出电路接线如图4-2所示，图a是源型直流输出，输出点是拉出电流；图b是漏型直流输出，输出点是灌入电流；S7200系列PLC的基本为源型直流输出，每个点的额定输出电流为0.75A（阻性负载）。图c是继电器输出，继电器输出触头额定电压24VDC或250VAC每个点的额定输出电流为2.0A（阻性负载）。每个公共端的额定电流（最大）为固态MOSFET（源型）6A，稳态MOSFET

18、（漏型）7.5A，干触点10A。 图4-23. CPU224AC/DC/Relay和CPU224DC/DC/DC的外部接线，其中，CPE224表示型号，AC(DC）表示PLC的电源类型，AC表示用交流电源（AC200240V），DC表示用直流电源（24V）；在后面的DC表示输入接口电路类型，DC为直流输入接口电路；最后的Relay（DC）表示输出接口电路，Relay表示继电器输出，DC表示晶体管输出。 CPU224DC/DC/DC接线端子图如图4-3所示： 图4-34.2接线图 驱动器与步进电机的接线 S7200接线图 5软件设计5.1高速输出指令S7-200系列PLC的Q0.0或Q0.1输出

19、端产生高速脉冲，来驱动诸如步进电机一类负载，实现速度和位置控制。高速脉冲输出指令（PLS）有脉冲输出PTO和PWM两种形式。PTO可以输出一串脉冲（50%），用户可以控制脉冲的周期和个数：PWM可以输出一串占空比可调的脉冲，用户可以控制脉冲的周期和宽度。每个CPU有两个PTO/PWM发生器，分配给输出端Q0.0和Q0.1，当他们设置为PTOPWM功能时，不能作为普通输出端子使用。通常在启动PTO/PWM操作之前，用复位指令将Q0.0和Q0.1清零。脉冲串输出（PTO）PTO脉冲串输出指令可以输出一定数量的占空比为50%的方波脉冲，脉冲周期变化范围为1065535us或265535ms，由SM6

20、8或SMW78来设定；脉冲个数由XMD72SMD82（32为无符号位）。如果指定的周期小于两个时间单位，则被默认为两个时间单位；如果指定的脉冲数为0，则脉冲数默认为1.PTO功能允许多个脉冲串排除输出，从而形成流水线。流水线为两种：单段流水线和多段流水线。由SM67.5或SM77.5设定。单段流水先模式，需要为下一段脉冲串更新特殊寄存器。一旦启动了起始PTO段，就必须按照第二波形要求改变特殊寄存器，并再次执行PLS指令。第二个脉冲串的属性一直保持到第一个脉冲串发送完毕。第一脉冲发送完毕，第二个脉冲串输出立即开始，重复这个过程设置下一个脉冲串参数。单段流水线中的各段脉冲可以采用不同的时间基准，但

21、有可能造成脉冲串间的不平衡过渡。输出多段高速脉冲时，编程复杂。5.2使用位控向导编程Step7-v4.0软件具有位控向导功能，向导能自动处理PTO单段管线和多段管线、脉宽调制和创建包络表。使用位控向导步骤：选择“工具”“位控向导”出现下图5-1，选择“配置S7200PLC内置PTO/PWM操作”。 图5-1单击”下一步“，指定一个脉冲发生器 图5-2S7200OLC有两个脉冲发生器：一个指定数字输出Q0.0；一个指定给数字输出Q0.1，必须指定一个希望配置的发生器。单击“下一步”。如果项目中已有一个配置，你可以编辑现有的PTO/PWM配置或从项目中删除该配置或将该配置移至另一个脉冲发生器。如果

22、项目中没有配置则继续执行下一步。 图5-3在本步中，选择为脉冲输出（PTO）或脉宽调制（PWM）。就PWM而言选择周期和脉冲度时间基准：就PTO而言，您可以启用高速计数器，计算输出脉冲数目。完成选择后单击“下一步”。 图5-4在本步中，指定点击的最高速度MAX-SPEED和开始/停止速度SS-SPEEDMAX-SPEED允许点击的最大工作速度，应在电机扭矩能力范围内。驱动负载所需的转矩由摩擦力、惯性和加速/减速时间决定。SS-SPEED低速应满足电机在低速时的负载驱动能力。如果SS-SPEED数值过低，电机和负载可能会在运动开始和结束时颤动或跳动。如果SS-SPEED数值过高，点击可能在启东市

23、丢失脉冲，并且负载在试图停止时会使电机超速。MIN-SPEED值有计算得出，不能在此域中输入其他数据，在输入完SSSPEED数值后，点击此域会自动更新。SS-SPEED通常是MAX-SPEED数值的5%至15%。完成设定后，单击“下一步” 图5-5在本步中，设置加速和减速时间以毫秒为单位指定下列时间：ACCEL-TIME电机从SS-SPEED加速至MAX-SPEED所需要的时间默认值=1000msDECEL-TIME电机从MAX-SPEED减速至SS-SPEED所需要的时间默认值=1000ms加速和减速时间用测试来确定，在开始时用较大的数值，减少 时间直至电机失速，优化设置。定义好加速（减速）

24、时间后，单击“下一步” 图5-6在本步进行移动包络定义。单击新包络按钮，出现上图。包络是预定义运动轨迹的买书，PTO最多支持100包络。定义包络，包括如下几点：在定义完所有的包络后，单击“确认”按钮，进入以下界面： 图5-73) 为PTO向导在V内存生成PTO轮廓数据块，数据块受保护。PWM向导不使用V内存数据块。单击“下一步”，生成项目组件。单击“完成”按钮，完成脉冲输出向导。5.3S7-200本体输出MAP库的使用1）MAP的描述现在，200系列的PLC本体PTO提供了应用库MAPSERVQ0.0和MAPSERVQ0.1，分别用于Q0.0和Q0.1的脉冲输出。如图5-8所示： 图5-8各个

25、块的功能如表5-1所示:块功能Q0_X_CTRL参数定义和控制Q0_X_Move Relative执行一次相对位移Q0_X_Move Absolute执行一次绝对位移Q0_X_Move Velocity按预设速度运动Q0_X_Home寻找参考点位置Q0_X_Stop停止运动Q0_X_Load pos重新装载当前位置Scale EU Pulse将距离转化为脉冲数Scale Pulse EU将脉冲数转化为距离表5-1下面将介绍该库中所应用到的程序块。这些程序块全部基于PLC-200的内置PTO输出，完成运动控制的功能。此外，脉冲数将通过制定的高速计数器HSC计量。通过HSC中断计算并出发减速器的起

26、始点。1) Q0-x-CTRL 该块用于传递全局参数，每个扫描周期都需要被调用。功能块如图5-9，功能描述见表3-2. 图5-9 参数类型格式单位意义Velocity-SSINDINTPULSESEC启动/停止频率Velocity-MaxINDINTPULSESEC最大频率Accel-dec-timeINREALSEC最大加速时间Fwd-LimitINBOOL正向限位开关Rev-LimitINBOOL反向限位开关C-PosOUTDINTPULSE当前绝对位置 表5-2Velocity-SS 是最小脉冲频率，是加速过程的起点和减速过程的终点；Velocity-Max 是最大脉冲频率，受限于电机最

27、大频率和PLC的最大输出频率。在程序中若输入超出（Velocity-SS，Velocity-Max ）范围的脉冲频率，将会被Velocity-SS或Velocity-Max 所取代。Accel-dec-time是由Velocity-SS加速到Velocity-Max所用的时间（或由Velocity-SS减速到Velocity-Max所用的时间，两者相等），范围被规定为0.02-32.0秒，但最好不要小于0.5秒。警告：超出accel-dec-time范围的值还是可以被写入块中，但是会导致定位过程出错！2） Scale-EU-Pulse 该块用于将一个位置量转化为一个脉冲量，因此他可用于将一段位

28、移化为脉冲数，或将一个速度转化为脉冲频率。功能描述如图5-10，功能描述见表5-3： 图5-10 参数类型格式单位意义InputINREALMm or mm/s欲转换的位移或速度PulsesINREALPulse电机转一圈所需的脉冲数E-unitsINREALmm电机转一圈产生的位移OutputOUTDINTPulse or pulse/s转换后的脉冲数或脉冲频率表5-33） Q0-x-Home 功能块如图5-11，功能描述见表5-4：图5-11参数类型格式单位意义XECUTEINBOOLPULSE寻找参考点的执行位PositionINDINT参考点的绝对位移Start-DirINBOOL寻找

29、参考点的起始方向（0=反向，1=正向）DoneOUTBOOL完成位（1=完成）ErrorOUTBOOL故障位（1=故障）表5-4该功能块用于寻找参考点，在寻找过程的起始，电机首先以Start-Dir的方向，Homing-fast-Spd的速度开始寻找：在碰到limit switch后，减速至停止，然后开始相反的方向寻找：当碰到参考点开关的上升沿时，开始减速到Homing-fast-Spd。如果此时的方向与final-Dir相同，则在碰到参考点开关下降沿时停止运动，并且将计数器HCO的计数值设为Position中所定义的值。如果当前方向与Final-Dir不同，则必然要改变运动方向，这样就可以保

30、证参考点始终在参考点开关的同一侧。寻找参考点的状态可以通过全局变量Homing-state来监测，如表5-5Homing-state意义0参考点已找到2开始寻找4在相反的方向，以速度Homing-fast-Spd继续寻找过程6发现参考点，开始减速过程7在方向Final-Dir，以速度Homing-fast-Spd继续寻找过程10故障（在两个限位开关之间并未发现参考点） 表4-54) Q0-x-Move Relative该功能块用于让轴按照指定的方向，以指定的速度运动，运动指定的相对位移。如图4-11功能见表5-12 图5-12参数类型格式单位意义EXCUTEINBOOL相对位移运动的执行位Nu

31、m-PulsesINDINT相对位移（必须1）VelocityINDINT预置频率（Velocity-ss=Velocity=Velocity-max）directionINBOOLPulse/sec预置方向（0=反向，1=正向）doneOUTBOOL完成位（1=完成）表5-6应用map库是，一些输入输出点的功能被预先定义，如表5-7：名称MAP SERV.Q0.0MAP SERV.Q0.1脉冲输出Q0.0Q0.1方向输出Q0.2Q0.3参考点输入I0.0I0.1所用的高速计数器HC0HC3高速计数器预设置SMD.42SMD.142手动速度SMD172SMD182表5-7 5.4程序编写5.4

32、.1主程序部分程序解释X轴和Z轴的限位开关指令5.4.2子程序部分程序解释 X轴运动到pos1的位置 Z轴下降抓取工件后上升 X运动到pos2位置 z轴下降放下工件后上升5.4运行 按下启动按钮，机械手回原点，x轴运动到pos1的位置，气缸1伸出到pos1的位置，z轴下降到指定位置，同时卡抓打开，抓取工件后，z轴上升到原位，气缸缩回，x轴运动到pos2 的位置，气缸1伸出，z轴下降到指定位置，停住2s，卡抓松开，Z轴上升到位，气缸2伸出将工件推到pos3的位置，气缸1缩回，x轴运动到pos1位置，如此循环下去。 5结束语 本文主要讲了通过PLC对步进电机的控制，再由步进电机达到控制机械手的目的

33、，本文论述了基于PLC的步进电机控制系统的设计方法和研制过程，包括硬件设计、软件设计等方面。硬件电路用西门子PLC、相关电路设计而成。软件程序用PLC语言写成。在本次设计中，利用软硬件结合，实现对步进电机工作状态的自动控制和精确控制。利用PLC输出的时序脉冲和方向信号，改变对步进电机绕组的通电方式和通电顺序，来准确控制步进电机的正转、反转等工作状态。通过不同脉冲，来改变步进电机的工作频率。目前利用可编程序控制器（即PLC 技术）可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化技术水平，加速了机电一体化的实现。 参考文献2、S7-200可编控制器系统手册 电子版本 20033、邵群涛主编电机及拖动基础机械工业出版社20114、S7-200 产品目录 电子版本致谢 29