五相单双十拍步进电动机控制程序的设计及调试

机电工程学院
课程设计说明书设计题目:五相单双十拍步进电动机控制程序的设计与调试
学生XX：
学号：20094805
专业班级：机制F09
指导教师：
2012年12 月11 日
内容摘要
步进电机是一种控制精度极高的电机, 在工业上有着广泛的应用。

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。

基于PLC控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，参数设计置灵活等优点。

矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。

改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。

本文主要是介绍采用可编程控制器(PLC) 对五相十拍步进电机进行控制的设计原理及方法进行分析。

本文详细的介绍了用PLC控制步进电机系统的原理，及硬件和软件设计方法。

其内容主要包括I/O地址分配、PIC外部接线图、控制流程图、梯形图以及语句表。

本文设计过程中使用了移位指令，大大简化了程序的设计，使程序更间凑，方便了设计。

在实际应用中表明此设计是合理有效的。

关键词: PLC；梯形图；五相十拍步进电机
目录
第1章引言1
1.1 五相步进电动机的控制要求1
1.2 程序设计的基本思路1
第2章PLC控制系统设计3
2.1 PLC类型选择3
2.2 I/O点的分配与编号3
2.3 PLC外部接线图4
2.4 绘制控制流程图5
2.5 梯形图程序设计7
2.5.1 步进控制设计7
2.5.2梯形图9
2.6程序指令表13
2.7 程序调试16
设计总计21
谢辞22
参考文献23
第1章引言
步进电机作为执行元件，是电气自动化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。

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。

基于PLC控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，参数设计置灵活等优点。

步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。

矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。

改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。

1.1五相步进电动机的控制要求
1．五相步进电动机有五个绕组: A、B、C、D、E 。

正转顺序: A→AB→B→BC→C→CD→D→DE→E→EA；反转顺序: EA←E←DE←D←DC←C←BC←B←BA←A 2．用五个开关控制其工作：
1 号开关控制其运行( 启/ 停)。

2 号开关控制其低速运行(转过一个步距角需0.5 秒)。

3 号开关控制其中速运行(转过一个步距角需0.1 秒)。

4 号开关控制其低速运行(转过一个步距角需0.02 秒)。

5 号开关控制其转向( ON 为正转，OFF 为反转)。

3.操作方面要求：
（1）可正转或反转；
（2）运行过程中，正反转可随时不停机切换；
（3）步进三种速度可分为高速（0.02S），中速（0.1S），低速（0.5S）三档，并可随时手控变速;
4.性能方面要求：
在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑。

另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，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。

1.2 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，应使程序尽量简洁﹑紧凑。

另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，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，可较好的满足上述设计要求。

第2章PLC控制系统设计
2.1 PLC类型选择
PLC脉冲控制步进电机技术应用于中、小功率牵引设备中，具有控制简单、稳定、成本低等特点。

如果在系统中加上保护电路及防干扰措施，还可提高系统的稳定性。

S7-200系列PLC是西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到了大中型PLC 的水平，而价格却和小型PLC接近。

特别是S7-200CPU系列PLC，它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，便于系统的集成，并很容易地组成PLC网络；此外，它还具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得S7-200系列PLC在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。

控制步进电机的共有5个输入开关，分别是启/停开关QS1，0.5s低速运行开关QS2，0.1s中速运行开关QS3，0.02s高速运行开关QS4，控制转向开关QS5。

控制A、B、C、D、E五相绕组的工作，需要五个直流输出量，分别是A相绕组B 相绕组，C相绕组，D相绕组，E相绕组。

由于有5个直流输入，5个直流输出，无模拟量输入输出，因此只需5点输入，5点输出即可，加上10%的余量，通过查阅手册选定S7-200 CPU222基本单元（8入/6出）1台，输出形式又有继电器输出，晶体管（只能直流）输出，晶闸管输出（只能输出交流）三种形式。

由于输出为之流脉冲信号，故采用可直流可交流的继电器输出形式。

图2-1是CPU222的图片及简要介绍。

图2-1 CPU222的图片及简要介绍
2.2 I/O点的分配与编号
控制步进电机的5个输入开关及控制A、B、C、D、E五相绕组工作的输出端在PLC 中的I/O编址如表2-1所示。

表2-1 I/O地址分配表
输入点输出点
元件名称符号地址编码元件名称符号地址编码
启/停开关SB1 I0.0 A相绕组 A Q0.0
0.5s低速运行开关SB2 I0.1 B相绕组 B Q0.1
0.1s中速运行开关SB3 I0.2 C相绕组 C Q0.2
0.02s高速运行开关SB4 I0.3 D相绕组 D Q0.3
控制转向开关QS1 I0.4 E相绕组 E Q0.4
2.3 PLC外部接线图
PLC外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求来设定。

步进电动机采用五相十拍控制I/O接线图如图2-2所示。

图2-2 PLC控制I/O接线图
2.4 绘制控制流程图
由于上述具体控制要求，可作出步进电机在运行时的程序框图，如图2-3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为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；模块3：正转、反转；模块4：移位控制功能模块；模块:5：A、B、C、D、E五相绕组对象控制。

然后，将各模块进行连接，最后经过调试、完善、实现控制要求。

图2-3 控制流程图
2.5 梯形图程序设计
2.5.1 步进控制设计
采用移位指令进行步进控制。

首先指定移位寄存器MW0，按照五相十拍的步进顺序，移位寄存器的初值见表2-2。

表2-2 移位寄存器初值
每右移1位，电机前进一个步距角（一拍），完成十拍后重新赋初值。

由于10位大于1字节而又小于2字节，故令未用上的M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7置“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2-3、2-4所示。

从而得出五相绕组的控制逻辑关系式：
正转时
A相Q0.0=M1.1+M1.0+M0.0
B相Q0.1= M1.0+M0.7+M0.6
C 相Q0.2= M0.6+M0.5+M0.4
D相Q0.3= M0.4+M0.3+M0.2
E相Q0.4= M0.2+M0.1+M0.0
反转时
A相Q0.0=M1.1+ M0.1+M0.0
B相Q0.1= M0.3+M0.2+M0.1
C相Q0.2=M0.5+M0.4+M0.3
D相Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5
E相Q0.4=M1.1+M1.0 +M0.7
表2-3 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（正转）
表2-4 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（反转）
2.5.2 梯形图
梯形图设计如下：首先，按SB2或SB3或SB4初次选择一种步进速度，五相步进电动机的速度由定时器T33控制，把三个值50、10、2分别送到VW100可得到低速、中速、高速三种速度。

再按SB1，M3.0得电，移位寄存器赋初值，电机开始转动，且定时器开始计时，到设定值时，T33得电动作，移位寄存器值右移一位，计数器C21计数一次，然后T33重新计时。

计数器C21计数十次后动作，使移位寄存器重新赋值，依次循环。

QS1控制正反转，ON时I0.4得电，五相步进电动机正转；OFF时，I0.4失电，五相步进电动机反转。

按下启/停按钮SB1，M3.0失电，C21复位电机停止转动。

I0.1为低速选择开，按下后，每隔0.5秒移位一次，I0.2为中速选择开关，按下后，每隔0.1秒移位一次I0.3为高速选择开关，按下后，每隔0.02秒移位一次。

每次运行，只能选择一种速度，故在每个回路中串入另外两个开关的常闭触点，实现互锁。

然后移位寄存器赋初值，十拍后，重新赋初值。

T33是一个分辨率为10ms的计时器，设定值由存储单元VW100设定，设定值由选挡开关SB2，SB3，SB4 决定。

即使时间到，则执行右移指令。

C21为十拍计数装置，计数十次，即十拍，C21得电动作，使自身复位重新计数，同时移位寄存器重新赋初值。

最后连接五相绕组一次连接。

所以得出图2-4程序梯形图。

图2-4 五相十拍步进电动机PLC控制梯形图
2.6程序指令表
控制系统的梯形图和指令表之间是相互对照，互为补充的。

因此五相单双十拍步进电动机控制系统的指令表可以由梯形图得出。

TITLE=PROGRAM MENTS
Network 1 // 五相单双十拍步进电动机
// 单按钮停止
LD I0.0
EU
A M3.0
= M2.0
Network 2
// 单按钮启动
LD I0.0
EU
O M3.0
AN M2.0
= M3.0
Network 3
// 低速
LD I0.1
EU
AN I0.2
AN I0.3
MOVW 50, VW100
Network 4
// 中速
LD I0.2
EU
AN I0.1
AN I0.3
MOVW 10, VW100
Network 5
// 高速
LD I0.3
EU
AN I0.1
AN I0.2
MOVW 2, VW100 Network 6
// 移位寄存器赋初值
LD M3.0
EU
O C21
MOVW 2#1000000000, MW0 Network 7
// 单拍计时
LD M3.0
AN M4.0
AN C21
TON T33, VW100 Network 8
// 计时时间到，重新计时
LD T33
= M4.0
Network 9
// 计时时间到，移位一次
LD T33
EU
SRW MW0, 1
Network 10
// 十拍计数
LD M4.0
LD C21
ON M3.0
CTU C21, 10
Network 11
// A相
LD M1.1 O M0.0 LD M1.0 A I0.4 OLD
LD M0.1 AN I0.4 OLD
A M3.0 = Q0.0 Network 12 // B相
LD M1.0 O M0.7 O M0.6 A I0.4 LD M0.3 O M0.2 O M0.1 AN I0.4 OLD
A M3.0 = Q0.1 Network 13 // C相
LD M0.5 O M0.4 LD M0.6 A I0.4 OLD
LD M0.3 AN I0.4 OLD
A M3.0
= Q0.2
Network 14
// D相
LD M0.4
O M0.3
O M0.2
A I0.4
LD M0.7
O M0.6
O M0.5
AN I0.4
OLD
A M3.0
= Q0.3
Network 15
// E相
LD M0.2
O M0.1
O M0.0
A I0.4
LD M1.1
O M1.0
O M0.7
AN I0.4
OLD
A M3.0
= Q0.4
2.7程序调试
程序调试有模拟器调试和现场调试等方法，根据课程设计要求并结合实际情况使用了STEP 7-Micro/WIN模拟器进行了本程序的调试。

西门子S7－200的仿真软件Simulation1.2版是从西班牙原版1.2直接汉化过来的，支持TD200仿真界面和增减计数器等多种指令。

调试方法如下：
1.将在Step 7 Micro/Win中编译正确的程序在文件菜单中导出为AWL文件；
2.打开仿真软件，点“配置”-“CPU 型号”，然后选择CPU 222；
3.点“程序”-“载入程序”；
4.选择Step 7 Micro/Win的版本；
5.将先前导出的AWL文件打开；
6.点“PLC”-“运行”，开始调试程序；
程序具体运行情况如下：
1．选择速度，首先选择低速步进，按下SB2，I0.1通电，把50赋值给VW100。

2．选择正转，转动控制转向开关QS1，I0.4此时为ON.
3．按下启动按钮SB1,I0.0得电，则M3.0线圈得电，所以步进电动机以低速正转开始运行。

如图2-5程序调试图a所示。

4．改变速度，选择中速步进，按下SB3，I0.2通电，把10赋值给VW100，然后步进电动机以中速正转开始运行。

如图2-6程序调试图b所示。

5．改变速度，选择高速速步进，按下SB4，I0.3通电，把2赋值给VW100，然后步进电动机以高速正转开始运行。

如图2-7程序调试图c所示。

6．改变转向为反转，旋转转向开关QS1，I0.4此时为off。

选择低速步进，按下SB2，I0.1通电，把50赋值给VW100，然后步进电动机以低速反转开始运行。

如图2-8程序调试图d所示。

7．改变速度，选择中速步进，按下SB3，I0.2通电，把10赋值给VW100，然后步进电动机以中速反转开始运行。

如图2-9程序调试图e所示。

8. 改变速度，选择高速速步进，按下SB4，I0.3通电，把2赋值给VW100，然后步进电动机以高速反转开始运行。

如图2-10程序调试图f所示。

9. 按下启停按钮SB1，M2.0得电，所以M3.0失电，程序运行终止。

图2-5 程序调试图a
图2-6 程序调试图b
图2-7 程序调试图c
图2-8 程序调试图d
图2-9 程序调试图e
图2-10 程序调试图f
设计总结
这次机电传动与控制课程设计，我的选题是五相单双十拍步进电动机控制程序的设计与调试。

最初拿到题目我感到无从下手，一连两天没有一点思路，这时指导老师王老师给我提供了一些建议和指导，让我用移位指令进行尝试。

在老师的耐心指导下，我顿时恍然大悟，于是搜集相关资料开始了设计。

我通过参考网上的同类型设计成果，综合考虑自己的特有要求，对原作进行了必要的改进和补充，最终形成了这个设计结果，经过调试，能够满足相应要求。

由于时间有限，知识水平尚未达到一定高度，设计结果还有进一步完善的地方，以后有时间，将会继续完善。

谢辞
在求知的路途上并不会一帆风顺，常会遇到令人困惑的问题。

老师是我们成长路上的拐杖，在求知的路上他对我们太重要了。

在这次课程设计中，我对这句话有了更理性的认识。

首先，我要感谢我的课程设计指导老师王宗才老师。

为了能够顺利的完成这次课程设计，王老师是很注重学生基础和课堂容量的人，在平时的课堂上总是给我们讲解课程设计的内容，终于在开始课程设计前让我储备了足够的专业理论知识。

在设计过程中，老师每天都会亲临设计教室督促大家、鞭策大家努力认真的按照进度完成课程设计所规定的内容。

本课题在设计过程中王老师多次询问设计进程，并对我进行技术指导，引导我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。

王老师一丝不苟的作风，严谨XX的态度，踏踏实实的精神，必将对我以后工作态度的培养产生深远的影响。

在课程设计过程中王老师指出了我的不足之处，同时又给我提出了许多宝贵的意见。

正是由于老师的精心指导，我才能顺利完成这次课程设计，所以，要再次说一声：王老师，您辛苦了！
最让我感动的是学校图书馆的系统出了问题，同学们不能借阅参考书籍，为了能让大家顺利完成课程设计，他亲自跑到学校总部查询图书馆系统的维修情况。

王老师真是尽职尽责！
此外，还要感谢自己的同组同学，在课程设计中遇到困难时大家互相讨论、相互帮助的场景依旧浮现在我的脑海里，你们让我明白了团队合作的重要性，在解决难题的同时更增进了同学们间的友谊。

参考文献
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[2] 于庆广.可编程控制器原理及系统设计.:清华大学.2004.
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