三相六拍步进电机PLC梯形图控制程序设计与调试

现代控制技术及PLC控制课程设计
姓名
学号
班级机电
专业机械电子工程
院别机械工程学院
指导教师
2013年7月5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。

目录
1引言 (1)
2系统总体方案设计 (2)
2.1系统硬件配置及组成原理 (2)
2.2 方案原理分析 (3)
2.3 可行性研究 (3)
2.4 设计思想 (3)
3 控制系统设计 (4)
3.1 控制程序图及软件模块 (4)
3.2 梯形图程序设计与梯形图 (5)
3.3 三相六拍步进电机控制语句表 (9)
3.4 PLC接线图与主电路图 (10)
4 心得体会 (11)
5 参考文献 (12)
引言
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→A
2.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、根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，包括主电路、控制电路及PLC 硬件配置电路。

2、根据控制要求，编制PLC应用程序。

3、编写设计说明书，内容包括：
①设计过程和有关说明。

②基于PLC的电气控制系统电路图。

③ PLC控制程序（梯形图和指令表）。

④电器元器件的选择和有关计算。

⑤电气设备明细表。

⑥参考资料、参考书及参考手册。

⑦其他需要说明的问题，例如操作说明书、程序的调试过程、遇到的问题及解决方法、对课程设计的认识和建议等。

系统总体方案设计
一、系统硬件配置及组成原理：
三相六拍步进电动机是一典型单定子、径向分组、反应式伺服电机。

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连在一起，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9º，转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9º，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相磁极上的齿刚好超前或滞后转子齿轮2/3齿距角。

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。

三相六拍比三相二拍的矩角特性好一倍，因此在很多情况下，三相步进电机采用三相六拍运行方式。

二、方案原理分析
功能要求：
对三相六拍步进电机的控制，主要分为两个方面：三相绕组的接通与断开顺序控制。

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）步进两种速度可分为高速（0.05S），低速（0.5S）两档，并可随时手控变速；（4）要求步进电动机转动100个步距角后自动停止运行。

性能要求：
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。

三、可行性研究
要解决的问题的可行性分析及复杂性分析，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（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，则每一次变化速度，所有的定时器和比时段都需做出相应的调整，为程序修改带来不便。

四、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。

控制系统设计
一、控制程序图及软件模块
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。

程序流程图
二、梯形图程序设计
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。

输入输出编址
控制步进电机的歌输入开关及控制A,B,C三相绕组工作的输出端在PLC中的I/O地址分配表如下表所示。

I/O地址分配表
状态真值表
采用移位指令进行步进控制。

每右移1位，电机前进一个步距角，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，从而得出三相绕组的控制逻辑关系式。

正转时：
A相 Q0.0=M0.5+M0.4+M0.0
B相 Q0.1=M0.4+M0.3+M0.2
C相 Q0.2=M0.2+M0.1+M0.0
反转时：
A相 Q0.0=M0.5+M0.4+M0.0
B相 Q0.1=M0.2+M0.1+M0.0
C相 Q0.2=M0.4+M0.3+M0.2
移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表如下表所示：
移位寄存器正转反转M0.5 M0.4 M0.3 M0.2 M0.1 M0.0 A B C A B C
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0
0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1
0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1
0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1
0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0
0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0
移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表
梯形图程序
根据程序模块及三相绕组的控制逻辑关系，可绘出梯形图控制程序。

程序如下
三、三相六拍步进电机控制语句表 LD I0.4 EU
AN I0.5 MOVW 50, VW100
LD I0.5 EU
AN I0.4 MOVW 5, VW100
LD I0.0 O M1.0 AN I0.1 AN I0.2
LD M1.0 O M1.1 EU O C0
MOVB 2#100000, MB0 LD I0.2 = M3.0
LD M1.0 O M1.1 AN M2.0 AN C20 AN I0.2 TON T33, VW100
LD M0.0 O M0.4 O M0.5 = Q0.0
LD M0.0 O M0.1 O M0.2 A M1.1 LD M0.2 O M0.3 O M0.4 A M1.0 OLD
= Q0.1
LD M0.0 O M0.1 O M0.2 A M1.0 LD M0.2 O M0.3 O M0.3 A M1.1 OLD
= Q0.2
L1
L2
L3
K A
接线图如下图所示：
L1L2L3
K A
心得体会
机电控制技术是一门侧重应用方向的学科。

所以要多一点实践。

不要看不起小的项目，在其中你能总结出设计程序的逻辑思维方法，总结中不断进步。

通过这次设计实践。

我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。

在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。

能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。

在课程设计过程中我了解到，PLC并不是一门单一的编程技术，它是一门系统专业课程。

PLC可以广义的认为是一台背嵌入操作系统的高可靠性PC机。

首先需要精深PLC 本身的编程语言梯形图、语句表语言。

达到这个水平你只能读懂编好的程序，并可以设计一些工程需要程序。

、在一些大型程序中还需要用到数据库的知识，PLC入门很快但要不断进取努力。

通过合作，我们的合作意识得到加强。

合作能力得到提高。

上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。

在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。

能过比较选出最好的方案。

在这过程也提高了我们的表过能力。

在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。

在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做思而不学者殆。

做事要学思结合。

参考文献
[1] 贺哲荣，石帅军流行PLC实用程序及设计西安电子科技大学出版社
[2] 阮友德电气控制与PLC实训教程人民邮电出版社
[3] 宋君烈可编程控制器实验教程东北大学出版社
[4] 李俊秀可编程控制器应用技术化学工业出版社
[5] 张万忠可编程控制器入门与应用实例中国电力出版社
[6] 高钦和可编程控制器应用技术与设计实例人民邮电出版社。