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河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告1毕业设计（论文）题目：PLC在步进电机控制中的应用研究专业：电气工程及其自动化学生信息：学号：姓名：班级：指导教师信息：教师号：姓名：职称：教授报告提交日期：2步进电机驱动器通过外加控制脉冲，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动。就是说给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者前进一步，其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率有着严格的比例关系。在可编程序控制器（PLC）对各种工业、物流等生产流水线的控制中，较为常见的一个环节，就是控制步进电机。PLC对步进电机的控制程序设计可有多种方法，所选应用指令的不同、程序设计思路的不同，可使程序的长短、复杂程度、柔性化程度有较大的差别。本文以三相六拍步进电机控制为例，采用西门子S7-200PLC的SIMATIC指令系统，以“移位指令”为步进控制程序主体的设计思路和方法，并分析其相对于其他应用指令及编程方法的长处。1程序设计的基本思路在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求。由于CPU对程序的串行扫描工作方式，会造成输入/输出的滞后，而由扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个多扫描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。因此，在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简捷、紧凑。另一方面，同一个控制对象，根据生产的工艺流程的不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。以SIMATIC移位指令为步进控制的主体进行程序设计，可较好地满足上述设计要求。(1)基于PLC的步进电机的正反转问题由于步进电机可以通过脉冲来控制其在工作中的正反转运动，所以本课题采用PLC自身所产生高速时序脉冲，应用环形分配器按要求进行分配，再由功率放大器产生足以驱动步进电机的时序脉冲来对步进电机加以控制。其中用SB2按钮起动或切换正转，SB3按钮起动或切换反转。通过行程开关等器件、利用PLC自身所产生高速时序脉冲和计数器等来手动的控制步进电机的正转或反转起动，并且可以不停机随时进行切换。(2)基于PLC的步进电机的高、中、低速控制和加减速的工作问题在正反转起动控制的基础上对步进电机进行高、中、低速控制，通过移位指令控制三个速度的起动和切换。起初步进电机是一个加速过程，本文的加速控制这样实现：开机时的加河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告2速，低速到中速时的加速，中速到高速时的加速。其次是减速过程这样实现：高速到中速时的减速，中速到低速时的减速，停机时的减速。不进行切换速度时即为恒定速度。编写出这个PLC控制过程的梯形图和语句表程序说明。1.1三相六拍步进电机的控制要求对三相六拍步进电机的控制，主要为两个方面：三相绕组的接通与断开顺序控制以及步进速度的控制。即：正转顺序：A→AB→B→BC→C→CA→A；反转顺序：A→AC→C→CB→B→BA→A以及每个步距角（每个箭头）的行进速度。围绕这两个主要方面，可提出具体的控制要求如下：(1)可正转起动或反转起动；(2)运行过程中，正反转可随时不停机切换；(3)步进速度可分为高速（0.05s）、中速（0.1s）、低速（0.5s）三档，并可随时手控变速；(4)停止时，应对移位寄存器清零，使每次起动均从A相开始。1.2控制程序框图及软件模块由上述具体控制要求，可作出步进电机在起动运行时的程序框图，如图1所示。以工作框图为基本依据，结合考虑控制的具体要求，首先可将梯形图程序分成4个模块进行编程，即模块1：步进速度选择；模块2：起动、停止和清零；模块3：移位步进控制功能模块；模块4：A、B、C三相绕组对象控制。然后，将各模块进行连接，最后经过调试、完善、实现控制要求。2梯形图程序设计2.1输入/输出编址控制步进电机的各输入开关及控制A、B、C三相绕组工作的输出端在PLC中的I/O编址如表1所示。表1输入/输出编址输入端输出端I0.0步进电机正转起动按钮SB2Q0.0控制A相绕组I0.1步进电机反转起动按钮SB3Q0.1控制B相绕组I0..2停止及清零按钮SB1Q0.2控制C相绕组I1.0低速开关SQ1I1.1中速开关SQ2I1.2高速开关SQ3河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告3图1步进电机控制程序框图2.2状态真值表采用移位指令进行步进控制。首先指定移位寄存器MB0（8位），按照三相六拍的步进顺序，移位寄存器的初值见表2。表2移位寄存器初值1M0.7M0.6M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.000100000每右移1位，电机前进一个步距角(一拍)，完成六拍后重新赋初值。其中M0.6和M0.7始终为“0”。据此，可作出移位寄存器输出状态及步进电机正反转绕组的状态真值表，如表3所示。从而得出三相绕组的控制逻辑关系式：正转时NY开始首次选择步进速度正转或反转起动移位寄存器赋初值中速低速高速恒速发出移位脉冲执行移位移位输出控制步进电机步进六拍计数？河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告4A相Q0.0=M0.5+M0.4+M0.0B相Q0.1=M0.4+M0.3+M0.2C相Q0.2=M0.2+M0.1+M0.0反转时A相Q0.0=M0.5+M0.4+M0.0B相Q0.1=M0.2+M0.1+M0.0C相Q0.2=M0.4+M0.3+M0.2表3移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表移位寄存器MB0正转反转M0.5M0.4M0.3M0.2M0.1M0.0ABCABC0000000000001000001001000100001101010010000101010001000110110000100010100000011011102.3梯形图程序根据程序模块及三相绕组的控制逻辑关系，即可编写出梯形图控制程序，如图2所示。其中Network1～3对应模块1；Network4～6对应模块2；Network7～12对应模块3；Network13～16对应模块4。必须注意，在进行各模块的连接时，应充分考虑各模块功能之间的联锁关系、CPU串行扫描的工作方式对各指令执行结果的影响以及可随时进行正反转切换和步进变速的要求。经过调试、运行，该程序完全满足控制要求。3程序的分析与比较3.1简捷性如前所述，步进电机的控制程序设计，可有多种方法，比如，用SIMATIC顺控指令(SCR、SCRT、SCRE)编程，程序没有复杂的逻辑关系，设计比较方便，但由于每一次步进切换都须经过对状态的开始、转换和结束处理，会令程序的网络数大大增加；或可用许多的定时器实现各步距角的时间控制，以及变速时间间隔的设置等，则程序冗长、松散；也可以用定时器结合比较指令控制各步进时段，但会使各网络变得复杂，彼此之间的逻辑关系不甚清晰，程序也会比较长。比如，仅作两档转速控制，程序便需约20个网络，若再以加法、减法指令配合对两档转速进行调速，则程序还要增加3～4个网络；有的程序甚至可达约30河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告5Network111MB0MB0MOV-BENENOINOUTNI1.0Network1I1.0Network13Network15Network14Network12Network10M0.0M0.14M0.2M0.2M0.34M1.0M1.1M0.2M0.4M0.4T33M2.0M0.5M0.0M0.44M0.0M0.14M0.2M0.34I0.2M3.0M1.0M1.0I1.2Network4I0.0I0.2I1.1Network2M1.0M1.1M1.0Network7Network9Network8Network62#100000C0M1.1I0.1M1.1I0.2I0.0M1.1Network5I1.2I1.1VW10050MOV-WENENOINOUTI1.2I1.0VW10010MOV-WENENOINOUTI1.0I1.1VW1005MOV-WENENOINOUTI0.2I0.1Network3M1.1M1.00MB0MOV-BENENOINOUTMB0MOV-BENENOINOUTM3.0I0.2M2.0VW100T33TONINPTT33M2.0C06CUCTURPVQ0.0M1.14M1.0Q0.1Q0.2图2步进电机梯形图控制程序河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）中期报告6个网络，而以移位指令作为步进控制的主体编程，获得的程序简捷、清晰，仅需15个网络即可实现，且程序模块间的逻辑关系十分明确。3.2柔性化步进速度的变化以移位指令作为步进控制主体编程的另一长处，就是程序的柔性好，非常容易修改。在1.1中提到：对步进电机的控制主要是两个方面，三相绕组接通、断开的顺序控制和步进速度的控制。前者一般不变，而后者却可多变。比如，本文例子中，如果要求电机在运行过程中步进速度可任意加、减，而不是仅有三档速度，此时任何变速实际上只是改变移位指令的执行速度，即改变移位脉冲的发生周期(VW100)，其他所有网络均可不变。所以，只需将程序模块1“步进速度选择(Network1～3)”作如下修改便可实现，如图3所示。Network3I1.2I1.1I1.0VW1001VW100ADD-1ENENOINOUTN1VW100VW100SUB-1ENENOIN1OUTIN2MOV-WENOENINOUT10VW100Network2I1.2I1.1Network1图3程序模块1的修改其中，原低速开关I1.0变为步进基速赋值开关（Network1）；原中速开关I1.1变为减速开关，每次I1.1从“0”→“1”，步进速度减慢0.01s，即以加法指令实现转过每步距角所需时间增加0.01s(Network2)，原高速开关I1.2变为加速开关，每次I1.2从“0”→“1”，经减法指令使转过每步距角所需时间减少0.01s(Network3)，每次加速或减速的幅度可按需要任意修改设定。而如果用其他方法编程，比如以定时器、比较指令等编程，则每变化一次速度，所有的定时器和比较时段都须作出相应的调整，为程序修改带来不便。