PLC控制步进电机运转

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1、摘要 对可编程序控制器的步进电机控制系统进行设计,阐明了可编程序控制器及步进电机的结构和工作原理，同时给出了可编程序控制器控制步进电机电气控制系统的硬件组成和软件设计，包括可编程序控制器输入输出接线图、梯形图、程序设计和步进电机的驱动电路。提出基于PLC的四相八拍步进电机控制的方案,介绍了控制系统的设计方案及其软硬件的实现方法，实现对四相步进电机的启动,停止控制、正反转控制。方法简单易行,编程容易,可靠性高。关键字：步进电动机 PLC 梯形图 驱动电路目 录1 引言42课题分析4 2.1 任务分析4 2.2 方案设计43 反应式步进电机6 3.1 步进电机的结构6 3.2 步进电机的工作原理7

2、4 可编程器件FX2N-32MR 8 4.1 FX2N-32MR的结构 8 4.2 FX2N-32MR的工作原理 85 硬件设计8 5.1 I/O端口 8 5.2 I/O端子连接线 9 5.3 驱动电路106 软件设计11 6.1 PLC控制步进电机控制方法11 6.2 梯形图127 调试14 7.1 硬件调试14 7.2 软件调试15 7.3 运行调试158 结论159 心得体会15参考文献16 1引言 随着微处理器、计算机和数字通信技术的发展，计算机控制已经广泛地应用在所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场做出迅速的反应，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有较高的可靠性和灵活性，可编程

3、器件正是顺应这个要求，PLC已广泛应用各种机械设备和生产过程的自动化控制系统中。步进电机是一种控制精度极高的电机。在PLC步进电动机的控制系统中，输入到步进电动机绕组中的脉冲数或频率可以控制步进电动机的角位移和转速，在给步进电动机的各绕组输入脉冲时需要应用脉冲分配器分配脉冲。2课题分析2.1 任务分析步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。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（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相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。步

4、进电机具有较好的控制性能，其启动、停车及其它任何运行方式改变，都在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。2.2 方案设计在步进电动机控制系统中，步进电动机作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点，广泛应用于各种控制中，其控制主要有开环、半闭环、闭环控制。方案一：开环控制系统图2.1 开环步进电动机控制系统框图开环控制系统没有使用位置、速度检测装置及反馈装置，因此具有结构简单、使用方便、可靠性高、制造成本低等优点。另外，步进电动机受控于脉冲量，它比直流电机或交流电机组成的开环精度高，适用于精度要求不太高的机电一体化伺服传动系统。方案二：半闭环控制系统图2.2 半

5、闭环步进电动机控制系统框图半闭环控制系统调试比较方便，并且具有很好的稳定性，不过精度不太高，较少使用。方案三：闭环控制系统 图2.3 闭环步进电动机控制系统框图闭环控制系统定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。综合三种方案，根据步进电动机的特点，从制造成本与系统结构复杂程度考虑，本设计采用方案一，在开环控制系统中，用PLC控制四相步进电动机。3反应式步进电机3.1 步进电机的结构该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图4-1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。 图4-1 四相步进电机步进示意图步进电

6、动机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有四个励磁绕组，其几何轴线依次分别与转子错开0 ，（相邻两个转子齿轴线间的距离为齿距，以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开，C与齿3向右错开，C与齿3向右错开，D与齿4向右错开，（与A是同一电极）与齿6相对齐，图4-2所示是反应式步进电机定转子的展开图。图4-2 反应式步进电机定转子展开图3.2 步进电机的工作原理如果A相通电，B、C、D相不通电时，由于磁场作用，齿0与A对齐，转子不受任何力；如果B相通电，A、C、D相不通电，则齿1应与B对齐，此时转子向右移动，齿2与C偏移，齿3与D偏移，齿4与A偏移；如果C相通电，A、B、D相不通电，则齿2应与C对齐

7、，此时转子又向右移过，齿3与偏移；继续进行下去，A相通电，B、C、D相不通电，则齿5与对齐，转子又向移过。这样经过A，B，C，D,A分别通电状态，齿4移到A相，电机转子向右转过一个齿距。如果不断地按A，B，C，D,A，通电，电机就每步，向右旋转。按A，D,C，B，A，通电，电机就反转。由此可见，电机的位置和速度由通电次数（脉冲数）和频率决定，而方向由通电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪声及减小角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A这种通电状态，这样将原来每步改变为。因此本设计采用PLC控制四相八拍步进电动机，来实现电机的速度、正反转、以及步数的控制。4.可编程器

8、件 FX2N-32MR4.1 FX2N-32MR的结构PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。4.2 FX2N-32MR工作原理 PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式 1）每次扫描过程，集中对输入信号进行采样，集中对输出信号进行刷新；2）输入刷新过程,当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入； 3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。 4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的

9、。 5）扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数 6）由于采用集中采样、集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。5硬件的设计5.1 I/O端口 PLC的输入信号有9个，包括启动开关、电机慢速、中快和快速控制按纽，正反转控制开关，电机单步、10步和100步按纽开关，以及暂停开关。 PLC的输出信号有四个，即四个输出继电器。 根据I/O端子的数量和种类，选择FX2-32MR PLC机一台。1) 系统框图图5-1 PLC控制步进电机系统框图控制面板上的位置按纽控制移动的距离，速度按纽控制移动的速度，方向按钮控制移动的方向，启/

10、停按纽控制电机的启动和暂停。在控制面板上设定移动距离、速度和方向等参数，PLC读入这些设定值后，通过运算产生脉冲、方向信号，控制步进电机的驱动器，达到对距离、速度、方向控制的目的。2) I/O分配表表5.1 I/O分配表元 件I/O号信号定义元 件I/O号信号定义S0X0启动SBX5单步S1X1慢速S6X610步S2X2中速S7X7 100步S3X3快速S8 X10暂停S4X4正反转SA RUN5.2 I/O端子接线图图5-2 PLC I/O配置及接线图5.3 驱动电路PLC控制步进电机常用的形式有普通型通用PLC控制和PLC专用步进驱动模块控制等两种，模块式控制方式具有控制可靠性高的优点，而

11、通用PLC控制步进驱动系统具有PLC系统构成简单。工程造价低等优点，易于推广应用。图5-3所示为步进电机的驱动电路。图5-3 步进电机驱动电路 图5-3中仅为一相的驱动电路。其余三相与之相同。在图5-3中三极管T1起开关作用。当三极管截止时，无集电极电流流通，开关相当于断开；当三极管饱和时，流过的集电极电流最大。开关相当于闭合，该开关“动作”可由加于基极的电流来控制。由T2、T3两个三极管组成达林顿式功放电路，驱动步进电机的3个绕组。使电机绕组的静态电流达到近2A。电路中使用光电耦合器将控制和驱动信号隔离。当控制输入信号为低电平时，T1截止，输出高电平，则红外发光二极管截止，光敏三极管不导通因

12、此绕组中无电流流过；当输入信号为高电平时，T1饱和导通，于是红外发光二极管被点亮，使光敏三极管导通，向功率驱动级晶体管提供基极电流。使其导通，绕组被通以电流。6软件的设计四相步进电动机转速的控制，分慢速、中速和快速三挡，分别通过开关S1、S2和S3选择；正、反转控制由开关S4选择；步数控制分单步、10步和100步三挡，分别通过按纽SB、开关S6和S7选择。6.1 PLC控制步进电机控制方法1). 转速控制 由脉冲发生器产生不同周期T的控制脉冲，通过脉冲控制器的选择，再通过环形分配器使四个输出继电器Y0、Y1、Y2和Y3按照单双四拍的通电方式接通，其接通顺序为：该过程对应于四相步进电动机的通电顺

13、序是：选择不同的脉冲同期T，可以获得不同频率的控制脉冲，从而实现对步进电动机的调速。2). 步数控制步进电机每输入一个电脉冲就前进一步，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比。因此可以根据步进电机的输出位移量确定PLC输出的脉冲个数，即可实现对步进电机的步数控制。 式中为步进电机的输出位移量（mm），d为机构的脉冲当量（mm/脉冲）。 本设计通过脉冲计数器，控制八拍时序脉冲数，以实现对步进电动机步数的控制。6.2 梯形图PLC控制四相八拍步进电机的梯形图如图6-1所示图6-1 四相八拍步进电动机控制的梯形图1）转速控制过程1、选择慢速（接通S1），接通启动开关S0，脉冲控制器产生同期为1s的控制脉

14、冲，使M0至M5状态随脉冲向右移动，产生八拍时序脉冲，并通过四相八拍环形分配器使Y0、Y1、Y2和Y3按照单双八拍的通电方式接通，步进电机开始慢速步进运行。2、选择中速（接通S2），接通启动开关S0，脉冲控制器产生同期为0.5s的控制脉冲，使M0至M5状态随脉冲向右移动，产生八拍时序脉冲，并通过四相环形分配器使Y0、Y1、Y2和Y3按照单双八拍的通电方式接通，步进电机开始中速步进运行。3、选择快速（接通S3），接通启动开关S0，脉冲控制器产生同期为0.2s的控制脉冲，使M0至M5状态随脉冲向右移动，产生八拍时序脉冲，并通过四相环形分配器使Y0、Y1、Y2和Y3按照单双八拍的通电方式接通，步进电

15、机开始快速步进运行。2) 步数控制过程选择慢速（接通S1），选择10步（接通S6），接通启动开关S0，八拍时序脉冲及四拍八拍环形分配器开始工作，计数器开始计数。当走完预定步数时，计数器动作，其常闭触点断开移位驱动电路，八拍时序脉冲、四相八拍环形分配器及正反转驱动环节停止工作，步进电动机停转。选择快速（接通S3），选择100步（接通S7），接通启动开关S0，八拍时序脉冲及四拍八拍环形分配器开始工作，计数器开始计数。当走完预定步数时，计数器动作，其常闭触点断开移位驱动电路，八拍时序脉冲、四相八拍环形分配器及正反转驱动环节停止工作，步进电动机停转。3）调试运行程序将图6-1转换成表6.1的程序，将该

16、程序写入PLC的RAM，并调试运行该程序。表6.1 PLC控制四相步进电动机程序0 LDI T0 1 OUT TO K202 LDI T13 OUT T1 K104 LDI T2 5 OUT T3 K56 LD X0057 PLS M118 LD X0019 AND T010 LD X00211 AND T112 ORB 13 LD X00314 AND T215 ORB16 OR M1117 OUT M2018 LD M10019 OUT Y00020 LD X00421 AND M10122 LDI X00423 AND M10324 ORB25 OUT Y00126 LD M10227

17、OUT Y00228 LD X00429 AND M10230 LDI X00431 AND M10132 ORB33 OUT Y00334 LDI X00635 RST C036 LDI X00637 AND M2038 OUT C0 K1039 LDI X00740 RST C141 LD X00742 AND M2043 OUT C1 K10044 END 7调试7.1 硬件调试接通电源，检查可编程控制器是否可以正常工作，接头是否接触良好，然后把其与电脑的通信口连接。7.2 软件调试按要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法的检查，正确后设置正确的通信口，将指令读入到指定的可编程控制器R

18、OM，进行下一步的调试。7.3 运行调试在硬件与软件调试正确的基础上，打开可编程控制器的“RUN”开关进行调试；观察运行的情况是否正确，以确定PLC的控制系统设计符合要求。8结论PLC控制四相八拍步进电机的方法简单易行，可靠性高。由于采用了PLC控制步进电机技术，所以改变控制参数相当方便， 只需改变PLC程序中相应部分即可。对任何相数的步进电机都可以使用，在设计方法上简单易行减少占用PLC的I/O口，与PLC接口时比较方便，这样在PLC控制步进电机的控制系统中不仅减少了控制系统设计的工作量、大大缩短开发研制周期和节约了开发费用而且提高了控制系统的柔性和可靠性，具有较高的推广和实用价值。9心得体

19、会这次课程设计对我们而言是对所学课程内容掌握情况的一次自我验证，对所学知识的综合应用能力检验。它培养和训练了我们的编程以及调试能力得到了锻炼，因而有着极其重要的意义。我们本次课程设计的内容是步进电机的PLC控制系统的设计，针对现在的PLC技术，实现一些软件及程序设计。我们应该加强PLC语句的练习，要能够运用自如。此外还应掌握PLC的外部接线方法。在这次课程设计过程中我们也遇到不少问题和困难。比如刚开始时对论文题目的不了解，对设计的原理及方案缺乏系统的了解；当我和大家在一起讨论时，常会发生意见分歧；还有很重要的一点就是大家的基础知识不够扎实，使得设计进度缓慢，必须不断在书本上学习心得知识来弥补不

20、足等。但幸运的是，随着论文设计的逐步进行，我们队种种问题进行了研究解决，最终才获得了预期的成果。因此，课程设计这样集体任务光靠个人是无法完成好的，必须通过合作和努力才能取得胜利，向不同的人请教他们擅长的东西，利用别人的优势来分担也是我完成设计任务的重要保障。而且，重要的一点是要感谢卢承领老师在我们做设计的过程中，对我们的设计提出了宝贵的意见和建议，使我们的设计不断的改进和优化，并取得了一定的成绩。参 考 文 献1 吴丽主编.电气控制与PLC实用教程.郑州：黄河水利出版社，2005.22 高钦和编著.可编程控制器应用技术与设计实例.北京：人民邮电出版社，2004.73 齐占庆主编.机床电气控制技术.3版.北京：机械工业出版社，1999.104 侯力等编著.机电一体化系统设计.北京：高等教育出版社，2004.65 施保华 杨四青 周凤星 主编.计算机控制技术.武汉：华中科技大学出版社，2007.36 陈伯时 电力拖动自动控制系统.机械工业出版社，19917 汪道辉 PLC编程及应用.电子工业出版社，2009