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1、基于PLCS7-300的步进电机开环设计目录目录11.引言21.1 设计目的21.2 设计过程2 1.2.1 步进电机简介2 1.2.2 步进电机的驱动电路2 1.2.3 两相步进电机的通电方式41.3 设计内容52.电路设计63.PLC硬件组态64.PLC编程元件地址分配表64.1 线性化编程符号表64.2 结构化编程符号表74.3 结构化编程FC的变量声明表75.控制程序85.1线性化编程85.2结构化编程215.2.1 OB1控制程序215.2.2 FC1控制程序255.2.3 FC2控制程序276.程序调试说明307.心得体会308.参考文献311. 引言 可编程控制器是电气控制技术中
2、的关键技术。可编程控制器为“自动化和电气工程及其自动化”专业的一门重要专业课。通过本课程的学习，使学生掌握工厂电气控制设备技术和可编程控制器的使用、分析和设计自动生产过程中的控制电路，掌握其使用方法。 PLC课程设计的主要目的，是通过对某个简单的自动化生产设备、某条简单的自动化生产线、某些简单的工艺过程的调查研究，使学生明确生产工艺对电气控制提出的各项要求。根据这些要求，进行PLC控制系统的原理设计、硬件配置及软件编程设计。通过不断地调试和完善程序来满足生产工艺的要求。本课程设计提供了设计的备选课题。通过课程设计，使学生进一步熟悉PLC控制系统的应用，并培养学生决实际问题的能力，掌握系统设计的
3、思路及方法。1.1设计目的 了解步进电机的工作原理及步进电机的开环控制原理。 综合应用所学PLC知识设计基于PLC的步进电机开环控制系统； 通过自行编程调试掌握PLC控制系统的设计方法。1.2设计过程1.2.1步进电机原理简介 步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械角位移的机电元件，每一个脉冲信号可以使步进电机前进一步，转过的角度与控制脉冲的个数呈严格的正比关系。其运行速度与控制脉冲频率呈严格的正比关系，正是这个特点，使其可以和现代数字控制技术相结合，成为比较理想的执行元件。步进电机主要应用于开环位置控制系统中。目前步进电机在数控机床、计算机外围设备、钟表、包装机械、食品机械中得到广泛的
4、应用。 步进电机由定子和转子两部分组成。以二相步进电机为例，定子上有两组相对的磁极，每对磁极缠有同一绕组，形成一相。定子和转子上分布着大小、间距相同的多个小齿。当步进电机某一相通电形成磁场后，在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导率（或最小磁阻）的位置。步进电机接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机转过一个步距角，对于一个m相n拍的步进电机来说，每走完n拍，转子就转过一个齿距角，所以齿距角与步距角的关系为： 从控制原理上，步进电机可以分为反应式、永磁式和混合式步进电机三大类；按照控制绕组的相数可以分为两相、三相、四相。 本课程设计中用到的步进电机为两相步进电机。该步进电机转子共有50个齿，所以
5、齿距角为7.2。电机每相电流为0.2A，相电压为5V。1.2.2步进电机的驱动电路本设计中用到的步进电机的驱动电路图如图1所示： 图1 步进电动机驱动电路图中TL1TL4对应的是面板上的插孔。图中标注的A及，B及分别表示步进电机的定子的两相绕组的四个端子。1.2.3两相步进电机的通电方式单四拍通电方式：每次只有一相绕组通电，四拍构成一定循环。两相绕组按照ABA的次序轮流通电。每拍转子转动转子齿距。双四拍通电方式：每次有两相绕组同时通电，两相控制绕组按ABBAAB的次序轮流通电。每拍转子转动的角度与单四拍相等都是转子齿距，但与单四拍的空间定位不重合。单、双八拍的通电方式：上两种通电方式的循环拍数
6、等于4，称为满步通电方式。若通电方式等于8，称为半步通电方式，即按AABBBAA的次序通电。每拍转子转动转子齿距。在上述通电方式中，改变通电的循环方向即可改变步进电机的转动方向，改变通电的频率，即可改变步进电机的转速。本课程设计采用的是双四拍的通电方式，实现对两项步进电机的正反停控制的，以及可以实现对步进电机转动角度的精确控制。1.2.4步进电机控制方式典型的步进电机控制系统如图2所示： 图2 典型的步进电机控制系统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，日前其发展趋向平缓。然而，其基本原理是不变的，即：是一种将电脉冲信号转换成直线位
7、移或角位移的执行元件，每当对其施加一个电脉冲时，其输出转过一个固定的角度。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的脉冲顺序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的顺序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，可简单地定义为，根据输人的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机:从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机
8、。步进电机的控制和驱动方法很多，按照使用的控制装置来分可以分为:普通集成电路控制、单片机控制、工业控制机控制、可编程控制器控制等几种；按照控制结构可分为:硬脉冲生成器硬脉冲分配结构(硬-硬结构)、软脉冲生成器软脉冲分配器结构(软-软结构)、软脉冲生成器硬脉冲分配器结构(软-硬结构)。1硬硬结构 如图3所示，这种步进电机的控制驱动系统由硬件电路脉冲生成器、硬件电路脉冲分配器、驱动器组成。这种控制驱动方式运行速度比较快，但是电路复杂，功能单一。 图3 硬硬结构控制2软软结构软脉冲生成器软脉冲生成器如图4所示，这种步进电机的控制驱动系统由软件程序脉冲生成器、软件程序脉冲分配器、驱动器组成，而软件脉冲
9、生成器和脉冲分配器都有微处理器或微控制器通过编程实现。用单片机、工业控制机、普通个人计算机、可编程序控制器控制步进电机一般均可采用这种结构。这种控制驱动方法电路结构简单、可以实现复杂的功能，但是占用CPU时间多，给微处理器运行其他工作造成困难。步进电机 驱动器 图4 软软结构控制 3软硬结构如图5所示，这种步进电机的控制驱动系统由软件脉冲生成器、硬件脉冲分配器和硬件驱动器组成。硬件脉冲分配器是通过脉冲分配器芯片(如8713芯片)来实现通电换相控制的。这种控制驱动方法电路结构简单、可以实现复杂的功能，同时占用CPU时间较少，用可编程控制器全部实现了控制器和驱动器的功能。在PLC中，由软件代替了脉
10、冲生成器和脉冲分配器，直接对步进电机进行并行控制，并且由PLC输出端口直接驱动步进电机。如图3.7所示，这是一种软-软结构，脉冲生成器和脉冲分配器均有可编程序控制器程序实现。步进电机 驱动器硬脉冲分配器软脉冲生成器 图5 软硬结构控制1.3设计内容（1）能够实现两相步进电机以双四拍的起动和停止、正转和反转相互切换及改变转速。（2）当按下按钮SB1时，步进电机以双四拍方式和500MS/步的频率顺时针方向运行30步后停止； 当按下按钮SB2时，步进电机以双四拍方式和500MS/步的频率逆时针方向运行30步后停止； 当按下按钮SB4时，步进电机以双四拍方式和2S/步的频率顺时针方向运行； 任何时刻按
11、下按钮SB3，步进电机停止。2.电路设计 PLC控制步进电动机硬件图设计正SB4I0.3 图6 控制两相步进电动机正反转及改变转速控制线路接线图3. PLC硬件组态PLC的硬件组态如表1所示： 表1 PLC硬件组态表4.PLC编程元件地址分配表 4.1 线性化编程符号表PLC线性化编程符号表如表2所示： 表2 PLC线性化编程符号表 4.2 结构化编程符号表PLC结构化编程符号表如表3所示： 表3 PLC结构化编程符号表 4.3 结构化编程FC的变量声明表PLC结构化编程FC1的变量声明表如表4所示： 表4 PLC结构化编程FC1的变量声明表 PLC结构化编程FC2的变量声明表如表5所示： 表
12、5 PLC结构化编程FC2的变量声明表 5.控制程序5.1线性化编程5.2结构化编程5.2.1 OB1控制程序5.2.2 FC1控制程序5.2.3 FC2控制程序6.程序调试说明在PLC程序设计及调试过程中存在以下要说明的：在进行PLC线性化程序设计时，出现两个相同地址的输出时，程序只执行后一个地址的输出。解决方法：通过查找资料发现西门子PLC程序中，不容许同时存在两个相同地址的输出，于是在两个相同的输出地址删去了一个，别找办法使其实现原来的功能。在进行PLC结构化程序设计时，用模块化的思想来实现在主程序中调用同一FC快来实现步进电机的正反转，这样设计更加简单，通俗易懂。并且在FC中使用了全局
13、变量，导致PLC的输出口本身的通电状态去控制PLC的循环通电状态。在进行PLC的结构化程序调试时，一按下启动按钮，西门子PLC立刻出现死机状态。解决方法：通过网上查找资料发现，没有将FC功能块下载到PLC中，导致在主程序中一调用FC功能块就出现死机状态，故将FC功能块下载到PLC后，死机状态立刻解决。在控制步进电动机的正反转的控制程序中可以加入开关互锁来使电机的正反转控制可以直接切换。在步进电机正反转控制中加入比较器、整数函数、计数器可以实现对步进电机转动步数的精确控制。7. 心得体会 在为期三周的可编程逻辑控制器课程设计中，利用软硬件结合，实现对步进电机工作状态正反停的自动控制和精确控制。通
14、过设定不同延时计时器的数值，来改变步进电机的工作频率。对PLC的编程工作是对人的毅力和耐心的挑战，这就促使我们必须是出于兴趣使然，兴趣使我具备了足够的毅力和耐心。经过无数次失败后，当看到一个个符号按我的思路整齐的排列，PLC按我的要求有条不紊的运行时，兴趣得到了极大的满足。 通过这次设计实践，我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一
15、个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。 通过合作，我们的合作意识得到加强，合作能力得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法，在这过程也提高了我们的表过能力。8. 参考文献1林春方可编程控制器原理及其应用上海交通大学出版社，20042史国生电气控制与可编程控制器技术化学工业出版社，20033刘宝廷步进电机及其驱动控制系统哈尔滨工业大学出版社，19974胡建. 西门子S7-300 PLC应用教程. 机械工业出版社.2008.5阮友德电气控制与PLC实训教程人民邮电出版社，20066郑阿奇.PLC（西门子）实用教程. 电子工业出版社. 20097邱道伊S7-300400PLC入门和应用分析中国电力出版社，200832