【基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)8100字（論文）】

圖3.1所示，整體上分為3個部分：1.西門子S7-200主控:負(fù)責(zé)輸出轉(zhuǎn)速信號和方向電平。2.PMM8713脈沖分配模塊:負(fù)責(zé)對PLC發(fā)出的脈沖進(jìn)行整形。3.驅(qū)動模塊：主要負(fù)責(zé)接受控制脈沖信號，將數(shù)信號轉(zhuǎn)為模擬信號進(jìn)行放大。圖3.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖（二）控制系統(tǒng)的工作原理本次畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容主要是對步進(jìn)電機(jī)的PLC控制進(jìn)行研究。采用西門子S7-200作為主控制器，并且能夠達(dá)到了軟件與硬件相結(jié)合控制的目的。PLC的脈沖分配可分為軟件法和硬件法。軟件控制法是采用軟件編程取代脈沖分配器來達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的目的。而硬件控制法是用專用脈沖分配芯片來控制脈沖的。用PLC控制步進(jìn)電機(jī)，需實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制，位置控制和加減速控制。1、電路組成和工作原理電路主要由西門子S7-200PLC、PMM8713環(huán)形分配、驅(qū)動電路、步進(jìn)電動機(jī)、光電編碼器構(gòu)成。主處理器PLC通過I/O端口與PMM8713相連，將運動控制命令發(fā)送給PMM8713，并通過編程對步進(jìn)電機(jī)的速度、位置、加減速進(jìn)行設(shè)定，由PMM8713對功率放大電路發(fā)出信號穿給步進(jìn)電機(jī)，增量編碼器提供一個反饋回路給PLC，從而構(gòu)成一個控制系統(tǒng)。2、運動控制的實現(xiàn)1.速度控制步進(jìn)電機(jī)的速度控制通過PLC發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來實現(xiàn)，從圖3.2可以看出，受到步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖的周期改變的影響，然而脈沖變化的快慢也最終使電機(jī)的轉(zhuǎn)速也跟著變化。因而要想改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度就只需要改變輸入電機(jī)的脈沖周期就可以了。由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=(其中轉(zhuǎn)子齒數(shù)=50，我這邊是42BYG4503混合步進(jìn)電機(jī);運行拍數(shù)m=8)及轉(zhuǎn)速的控制要求最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速，這些都對應(yīng)著脈沖頻率的變化，從何實現(xiàn)速度的控制。圖3.2脈沖分配波形圖2.加減速控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或是反轉(zhuǎn)時，都是由加速、恒速和減速這三個過程組成。步進(jìn)電機(jī)的啟動需要有加速過程;步進(jìn)電機(jī)的停止需要有減速過程。原因就在于假如步進(jìn)電機(jī)接收到的信號變化太快，就會出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)或是失步現(xiàn)象，而出現(xiàn)這個現(xiàn)象就是因為信號變化太快產(chǎn)生的慣性的作用而使步進(jìn)電機(jī)的動作跟不上信號的變化頻率，從而出現(xiàn)位置精度降低的影響。為了達(dá)到加速或是減速控制的要求，并且任何的加減速不過程都是會滿足一定的曲線關(guān)系的，直線、曲線、指數(shù)函數(shù)等等，如圖3.3是兩種比較常見的加減速運行曲線。之所以需要選定某種加減速曲線是因為當(dāng)選擇了最佳的曲線后，可以使步進(jìn)電機(jī)的加減速過程不至于出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)、失步、過沖等不良現(xiàn)象，就可以充分利用現(xiàn)有的轉(zhuǎn)矩，能夠快速響應(yīng)，縮短加減速時間。比較簡單的，且容易編寫程序的加減速曲線就是如圖3.3（a）所示的勻加速或是勻減速曲線。由于在采用直線加速時，加速度不變，就要求轉(zhuǎn)矩也是非線性關(guān)系。這就會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的提高使轉(zhuǎn)矩降低。因此，按照這種直線進(jìn)行加速會因為轉(zhuǎn)矩的不足而出現(xiàn)不良現(xiàn)象。采用如REF_Ref68282845\h圖3.3（b）所示的按照實際加減速工程擬合的曲線可以對步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)最佳的控制，原因就在用于電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速是接近指數(shù)形式的關(guān)系。圖3.3加減速運行曲線3.位置控制步進(jìn)電機(jī)從一個位置精確運行到另一個位置的過程就是步進(jìn)電機(jī)的位置控制。步進(jìn)電機(jī)每前進(jìn)一步都是因為接收到了一個脈沖信號，原因在于步進(jìn)電機(jī)的角度位移是與其所接受的脈沖個數(shù)成正比的。這樣步進(jìn)電機(jī)的角位移以及脈沖個數(shù)之間的正推導(dǎo)或是反推導(dǎo)就很簡單了，并且還實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)控制。

四、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計（一）PLC的選型西門子PLC型號多樣，本文中應(yīng)用的西門子S7-200系列PLC可以滿足多種多樣的自動化控制要求。適用于單機(jī)控制或小型系統(tǒng)控制，由于具有緊湊的設(shè)計、良好的擴(kuò)展性、低廉的價格及強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，S7-200可以幾乎完美的滿足小規(guī)模的控制要求。由于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的輸入輸出點數(shù)較少，故直接選用CPU224DC/DC/DC系列PLC，訂貨號為:6ES7214-2AD23-0XB8，該PLC自身集成了14個開關(guān)量輸入點和10個開關(guān)量輸出點，CPU224DC/DC/DC系列PLC帶有兩路高速脈沖輸出通道,能夠直接控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器,進(jìn)而實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制的要求。選型入下REF_Ref71302001\h表4.1所示:表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s11電氣元件選型清單序號名稱型號數(shù)量品牌1CPU224DC/DC/DC6ES7214-2AD23-0XB81西門子2微型斷路器NXB-632PC102正泰3開關(guān)電源S-150-241臺灣明偉4按鈕NP2-BA312正泰5旋鈕（二擋）NP2-BD211正泰（二）I/O地址分配表4.2I/O分配表符號輸入地址符號輸出地址自動啟動按鈕I0.0步進(jìn)電機(jī)脈沖輸出Q0.0自動停止按鈕I0.1Q0.1方向選擇I0.2步進(jìn)電機(jī)方向輸出Q0.2輸入啟動停止單步連續(xù)三拍六拍正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)I0.0I0.1I0.6I0.7I0.4I0.5I0.2I0.3輸出A1B1C1A2B2C2+24V（主機(jī)）Q0.2Q0.3Q0.4（三）I/O接線圖根據(jù)I/O分配表繪制I/O端子接線圖4.1圖4.1I/0端子接線圖（四）S7-200電氣接線圖該電氣接線圖進(jìn)線電源220V，通過斷路器接電源開關(guān)，PLC和步進(jìn)驅(qū)動器供電都是DC24V。PLC的脈沖和方向接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脈沖和方向口，步進(jìn)驅(qū)動和電機(jī)是A+A-B+B-連接，輸入的開關(guān)指令直接接PLC的輸入。如圖4.2所示。圖4.2電氣接線圖（五）驅(qū)動電路設(shè)計圖4.3驅(qū)動電路圖表4.342BYG4503混合式步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)型號42BYG4503步距角0.9°/1.8°相數(shù)4相驅(qū)動電壓24V相電流1.5A保持轉(zhuǎn)矩0.48N.M空載起動頻率1200步/秒空載運行頻率≥20千步/秒轉(zhuǎn)動慣量0.04Kg.cm2相電感2.3mH相電阻1.9Ω電阻和電容的取值1.濾波器件R1和C1:取R1=10KΩ，C1=0.001μF。2.取樣電阻R2:大了影響電機(jī)的動態(tài)特性;小了采樣精度不高且損耗過大一般取0.4Ω，故其上面的電壓為1V。3.續(xù)流電阻R4:太大，電流變化率小，導(dǎo)致放電慢，太小容易發(fā)熱，故取R4=10KΩ。4.并接電容C2:其目的是為了改善注入電流脈沖前沿，當(dāng)大功率管導(dǎo)通瞬間，就有一個沖擊電流進(jìn)入電動機(jī)繞組,因此將明顯地提高電動機(jī)的高頻特性,節(jié)省能量,取C2=0.47μF。（六）光電耦合器的設(shè)計光電耦合器是把像發(fā)光二極管之類的發(fā)光器件和光敏三極管之類的光敏器件組裝在一起的，其實現(xiàn)耦合的方式是通過光線，從而構(gòu)成了從光到電，再從電到光的轉(zhuǎn)換。光電耦合器有很多種，如圖4.4是常用的一種，在本系統(tǒng)中選用東芝公司的TLP521-2(如圖4.5所示)光電耦合器。圖4.4光電耦合器簡圖圖4.5TLP521-2實物圖（七）環(huán)形分配器的選型在步進(jìn)電動機(jī)的PLC控制系統(tǒng)中，由PLC產(chǎn)生控制信號，控制功率驅(qū)動電路按照一定的順序開通或關(guān)斷。PLC完成控制脈沖分配、控制步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和控制步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速等功能。軟件法和硬件法是實現(xiàn)脈沖分配的兩種常用方法，兩種方法的簡介如下:1.通過軟件實現(xiàn)脈沖分配其過程如下:在內(nèi)存ROM去開辟一個存儲空間來存放不同通電方式下的幾種輸出狀態(tài)(控制字)，系統(tǒng)軟件按照電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的要求，按正、反順序依次將這幾個控制字的內(nèi)容取出來并送至PLC的輸出口，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一個步距角(即實現(xiàn)一拍)就是因為接收了一個控制字。2.通過硬件實現(xiàn)脈沖分配硬件法實際上就是使用環(huán)形分配器來進(jìn)行脈沖分配，PLC只需要將步進(jìn)脈沖和方向的電平信號發(fā)送給脈沖分配器就好了。而現(xiàn)在市場的脈沖分配器也有很多種，我這里使用8713集成電路芯片。對于8713芯片而言，單時鐘輸入即加方向信號或是雙時鐘輸入即正轉(zhuǎn)或是反轉(zhuǎn)時鐘都是可以選擇的;并且8713芯片可以控制正反轉(zhuǎn)，其還具有初始化復(fù)位和輸入脈沖監(jiān)視等許多實用功能；為了提高抗干擾能力，其內(nèi)部輸入端都設(shè)有斯密特整形電路；使用大小為4V~18V的直流電源，相輸出驅(qū)動能力為±20mA。8713還采用DIP16封裝。本系統(tǒng)通過硬件法實現(xiàn)脈沖分配且使用單時鐘輸入脈沖，8713的引腳為步進(jìn)脈沖輸入端，4引腳為轉(zhuǎn)向電平控制端，這兩個引腳的輸入均由PLC提供和控制。5，6腳對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行方式控制，通過9腳控制復(fù)位,如圖4.6是PMM8713的示意圖。圖4.6PMM8713引腳圖由于采用了脈沖分配器幫PLC完成了脈沖整形的工作，使得PLC只需完成速度和轉(zhuǎn)向電平控制即可。因此，CPU的負(fù)擔(dān)減輕許多。五、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計（一）步進(jìn)電機(jī)模擬控制流程分析控制要求:當(dāng)按鈕開關(guān)撥到單步時，必須每按一次起動，電機(jī)才能旋轉(zhuǎn)一個角度;當(dāng)按鈕開關(guān)撥到連續(xù)時，按一次起動，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，直到按停止;當(dāng)按鈕開關(guān)撥到三拍時，旋轉(zhuǎn)的角度為3度;當(dāng)按鈕開關(guān)撥到六拍時，旋轉(zhuǎn)角度為1.5度;當(dāng)按鈕開關(guān)撥到正轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)按順時針旋轉(zhuǎn);當(dāng)按鈕開關(guān)撥到反轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)按逆時針旋轉(zhuǎn);當(dāng)單步要轉(zhuǎn)到連續(xù)或連續(xù)轉(zhuǎn)到單步，可以通過停止也可以直接轉(zhuǎn)換;(通過編程)當(dāng)三拍要轉(zhuǎn)到六拍或六拍要轉(zhuǎn)到三拍，可以通過停止也可以直接轉(zhuǎn)換;(通過編程)當(dāng)正轉(zhuǎn)要轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)要轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)，可以通過停止也可以直接轉(zhuǎn)換(通過編程)。如圖5.1步進(jìn)電機(jī)控制流程圖所示。圖5.1步進(jìn)電機(jī)控制流程圖而本課題使用PLC為西門子S7-200CN系列PLC可以直接輸出脈沖驅(qū)動42BYG4503混合型電機(jī)運行，指令可通過程序代替，而“變頻信號源”、“脈沖分配器”、“脈沖放大器”則全部由PLC替代，進(jìn)而取代了具有以上四項功能的驅(qū)動器，使得控制十分簡單，所以本課題的控制框圖可簡單用圖5.2表示。圖5.2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖（二）程序梯形圖設(shè)計

結(jié)論本次畢業(yè)設(shè)計通過對步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理以及控制系統(tǒng)和驅(qū)動的了解，通過查閱相關(guān)資料，設(shè)計了PLC控制步進(jìn)電機(jī)的控制方法。通過對PLC控制三相步進(jìn)電機(jī)運行控制的方法研究，通過實驗得到驗證實現(xiàn)，當(dāng)在控制三相步進(jìn)電機(jī)時，可以選擇手動開關(guān)和自動開關(guān)，實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)在單步和連續(xù)工作方式的情況下的正反轉(zhuǎn)運行切換，同時也可以實現(xiàn)三拍和六拍的步進(jìn)時序。在設(shè)計過程中，遇到了很多阻力，知識的匱乏，諸如程序的編寫，包括循環(huán)移位指令的使用、調(diào)速指令的采用等等，自己在查閱書籍資料同時也向老師同學(xué)請教，這些問題最終才得以解決。通過PLC發(fā)出脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)運行的方式，在工業(yè)生產(chǎn)等很多領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的采用，比如磁頭定位系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床，線切割機(jī)等領(lǐng)域。利用步進(jìn)電機(jī)較準(zhǔn)確的定位和能輸出一定大小的力矩的特點，已成為位置定位控制系統(tǒng)中首選的控制手段。隨著電力電子、DSP及計算機(jī)等多種技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中的細(xì)分功能、節(jié)能功能的驅(qū)動器技術(shù)會得到更加廣泛的應(yīng)用，使得PLC控制步進(jìn)電機(jī)這一控制方式不斷完善和發(fā)展。此次畢業(yè)設(shè)計的課題為基于PLC的步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計，對于一名電氣工程及其自動化專業(yè)的學(xué)生來說，這次畢業(yè)設(shè)計的題目還是比較適合我的。此課題可以對我之前所學(xué)各門課程的知識進(jìn)行一個總結(jié)，以提高我的綜合素質(zhì)，對于我日后的工作將會有很大的幫助。參考文獻(xiàn)[1]劉志永.淺析步進(jìn)電機(jī)的PLC控制技術(shù)與發(fā)展趨勢[J].科技資訊,2006(27).[2]王麗.二相混合式步進(jìn)電動機(jī)微步驅(qū)動技術(shù)的研究[D].西安:西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005,1.[3]丁偉雄,楊定安，宋曉光.步進(jìn)電機(jī)的控制原理及其單片機(jī)控制實現(xiàn)[J].煤礦機(jī)械,2005,6:127-129.[4]劉興輝,畢國玲.步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)研制[J].遼寧大學(xué)學(xué)報,2007