西门子PLC课程设计三相六拍步进电动机控制程序的设计与调试

机电工程学院课程设计说明书设计题目: 三相六拍步进电动机控制程序的设计与调试学生姓名： ***专业班级：机制*****学号：************指导教师： ***2012年12 月08 日内容摘要步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点,所以常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。

目前,比较典型的控制方法是用单片机产生脉冲序列来控制步进电机。

但采用单片机控制, 不仅要设计复杂的控制程序和I /O 接口电路, 实现比较麻烦, 而且对工业现场的恶劣环境适应性差, 可靠性不高。

使用PLC可编程控制器实现三相六拍步进电动机驱动，可使步进电动机东芝的抗干扰能力强，可靠性高，同时，由于实现了模块化结构，是系统结构十分灵活，而且编程语言简短易学，便于掌握，可以进行在线修改，柔性好，体积小，维修方便。

本设计是利用PLC做三相六拍步进电动机的控制核心，用按钮开关的通断来实现对步进电机正,反转控制，而且正，反转切换无须经过停车步骤。

其次可以通过对按钮的控制来实现对高，低速度的控制。

充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计最重要的一条原则。

本设计更加便于实现对步进电机的制动化控制。

关键词：PLC控制;三相六拍;步进电动机;电机正反转目录引言 (1)第1章步进电动机和PLC简介 (2)1.1步进电动机 (2)1.1.1三相六拍步进电动机 (2)1.2PLC简介 (3)1.2.1可编程控器概述 (3)1.2.2 可编程控制器的定义 (3)1.2.3 PLC的特点 (3)第2章三相六拍步进电动机控制程序的设计 (5)2.1控制程序流程图及软件模块 (5)2.2梯形图程序设计 (7)2.2.1 CPU的选择 (7)2.2.2输入输出编址 (7)2.2.3状态真值表 (7)2.3梯形图程序 (8)2.4三相六拍步进电机控制语句表 (12)2.5程序的运行及调试 (14)2.6I/O接线图 (16)结论 (17)设计总结 (18)谢辞 .................................................. 错误！未定义书签。

参考文献............................................... 错误！未定义书签。

引言1.课题内容用PLC控制三相六拍电动机，控制要求如下：1.三相步进电动机有三个绕组：A,B,C,正转通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA→A反转通电顺序为：A→CA→C→BC→B→AB→A2.要求能实现正，反转控制，而且正，反转切换无须经过停车步骤。

3．就有两种转速：1号开关合上，则转过一个步距角需0.5秒。

2号开关合上，则转过一个步距角需0.05秒。

4．要求步进电动机转动100个步距角后自动停止运行。

2.课题要求1．列出输入输出点分配表；2．画出PLC的输入输出设备的接线图；3.利用STEP7-Micro/WIN32软件完成梯形图，指令表的程序设计与调试；4．完成课程设计说明书。

3.设计思想步进电机的速度控制是通过改变输入脉冲的频率高低实现的。

当发生脉冲的频率减小时，步进电机的速度就下降;当频率增加时，速度就加快。

还可以用过频率的改变来提高步进电机的位置精度。

以移位指令为步进控制的主体进行程序设计，可较好的满足上述设计要求。

第1章步进电动机和PLC简介1.1 步进电动机步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角移位或直线移位的开环执行元件。

给定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称为该步进电机的步距角。

当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过一个步距角。

以此类推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。

步进电机的使用需要电脉冲信号发生器的配合，它按照给定的设置重复喂为步进点输送电脉冲信号，目前这种信号大多数由可编程控制器(PLC)或单片机来完成。

1.1.1三相六拍步进电动机三相六拍步进电机是一典型单定子、径向分相、反应式伺服电机。

其结构原理图它与普通电机一样, 分为定子和转子两部分, 其中定子又分为定子铁芯和定子绕组。

定子铁芯由电工钢片叠压而成。

定子绕组绕制在定子铁芯上, 六个均匀分布齿上的线圈, 在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起, 构成一相控制绕组。

三相步进电机可构成三相控制绕组, 若任一相绕组通电, 便形成一组定子磁极。

在定子的每个磁极上, 即定子铁芯上的每个齿上开了五个小齿, 齿槽等宽, 齿间夹角为9°, 转子上没有绕组, 只有均匀分布的个40小齿, 齿槽也是等宽的, 齿间夹角也是, 与磁极上的小齿一致。

此外, 三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1／3齿距,。

当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时, B相磁极上的齿刚好超前或滞后转子齿轮1／3齿距角, C相磁极齿超前或滞后转子齿2／3齿距角。

三相六拍步进电机的工作原理；当A相绕组通电时, 转子的齿与定子AA上的齿对齐。

若A相断电, B相通电, 由于磁力的作用, 转子的齿与定子BB上的齿对齐, 转子沿顺时针方向转过3°, 如果控制线路不停地按A→B→C→A的循环顺序控制步进电机绕组的通电、断电, 步进电机的转子便不停地顺时针转动, 这是三相三拍。

而当AB同时通电时, 由于两个滋力的作用, 定子绕组的通电状态每改变一次, 转子转过1.5°，原理与三相三拍相同,从而形成三相六拍, 其通电顺序为：1.2 PLC简介1.2.1可编程控器概述可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

1.2.2 可编程控制器的定义可编程控制器简称PC（英文全称：Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。

为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。

1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

”1.2.3 PLC的特点1.可靠性高，抗干扰能力强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，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

2.硬件配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。

PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

3.易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

4.系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。

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用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

5.体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。

它的重量小于150g，功耗仅数瓦。

因体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

第2章三相六拍步进电动机控制程序的设计2.1控制程序流程图及软件模块由上述具体控制要求，可作出步进电机在启动运行时的程序框图，如下图所示。

以工作框图为依据，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三相套组对象控制。

然后，在将模块进行连接，最后经过调试，完善，实现控制要求。

控制程序流程图见下页图2.1。

图 2.1 控制程序流程图2.2 梯形图程序设计2.2.1 CPU的选择本次设计要求正反转和高低速控制共五个输入接口，控制A,B，C三相绕组三个输出接口，所以选用CPU221,六个输入，四个输出满足控制要求。