基于S7-200 PLC的五相十拍步进电动机控制设计概论

《电气控制与PLC技术》

课程设计

（2008级本科）

题目: 基于S7-200 PLC的五相十拍步进

电动机控制设计

系（部）院:

专业: 电气工程及其自动化

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指导教师：

完成日期：

课程设计任务书

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、主电路图、梯形图、元件清单以及语句表。本文设计过程中使用了十六位移位寄存器，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；仿真；五相十拍步进电机

目录

第一章引言 (1)

第二章基础知识简介 (1)

2.1 西门子PLC简介 (1)

2.2 步进电机简介 (2)

第三章系统总体方案设计 (3)

3.1程序设计的基本思路 (3)

3.2五相步进电动机的控制要求： (4)

3. 3方案原理分析 (4)

第四章PLC控制系统设计 (4)

4.1输入输出编址 (4)

4.2选择PLC类型 (5)

4.3 PLC外部接线图 (5)

4.4 控制流程图 (5)

4.5 梯形图程序设计 (6)

第五章PLC程序仿真 (15)

5.1 步进电机正转控制仿真 (15)

5.2 步进电机反转控制仿真 (17)

总结 (19)

参考文献 (20)

第一章引言

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。

第二章基础知识简介

2.1 西门子PLC简介

德国西门子公司是世界上研制PLC最早的少数几个公司之一。欧洲第一台PLC是由该公司在1973年研制成功的，1975年推出了SIMATIC S3系列PLC，1979年推出了SIMATIC S5系列，20世纪末又推出了SIMATIC S7系列的 PLC。

西门子公司目前最新的PLC产品是SIMATIC M7、C7和S7三个系列。M7系列PLC 是嵌进式的高档机，用于解决对时间要求非常高的的技术题目，它既可作为CPU，也可以作为功能模块使用，目前国内引进比较少；C7系列PLC往往在一个单元中集成一个PLC和一个控制操纵面板（OP），由于PLC和OP同是SIMATIC系列产品，因此，C7控制系统的扩展也很轻易，并可简便的在SIMATIC自动化网络中进行集成； S7系列又分为S7-200、S7-300、S7-400几个子系列，分别为小型、中型和大型PLC，这个系列的PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通讯能力，功能更强，可靠性更高，因此，应用最广泛，遍布各行各业

S7—200系列PLC是西门子公司20世纪90年代推出的整体式小型可编程控制器，开始称为CPU21X，其后的改进型称为CPU22X。其结构紧凑，功能强大，具有很高的性价比，在中小规模控制系统中广泛应用。

SIMATIC S7-200 PLC 是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。

通讯网络是自动化系统的支柱，西门子的全集成自动化网络平台提供了从控制级一直到现场级的一致性通讯，“SIMATIC NET”是全部网络系列产品的总称，他们能在工厂的不同部门，在不同的自动化站以及通过不同的级交换数据，有标准的接口并且相互之间完全兼容。

人机界面（HMI）硬件 HMI硬件配合PLC使用，为用户提供数据、图形和事件显示，主要有文本操作面板TD200（可显示中文），OP3，OP7，OP17等；图形/文本操作面板OP27，OP37等，触摸屏操作面板TP7，TP27/37，TP170A/B等；SIMATIC面板型PC670等。个人计算机（PC）也可以作为HMI硬件使用。HMI硬件需要经过软件（如ProTool）组态才能配合PLC使用。人机界面软件有两种，一种是应用于机器级的ProTool，另一种是应用于监控级的WinCC。 ProTool适用于大部分HMI硬件的组态，从操作员面板到标准PC都可以用集成在STEP 7中的ProTool有效地完成组态。ProTool/lite用于文本显示的组态，如：OP3，OP7，OP17，TD17等。ProTool/Pro用于组态标准PC和所有西门子HMI产品，ProTool/Pro不只是组态软件，其运行版也用于Windows平台的监控系统。 WinCC是一个真正开放的，面向监控与数据采集的SCADA （Supervisory Control and Data Acquisition）软件，可在任何标准PC上运行。WinCC 操作简单，与STEP 7功能集成，可直接进入PLC的硬件故障系统，节省项目开发时间。它的设计适合于广泛的应用，可以连接到已存在的自动化环境中，有大量的通信接口和全面的过程信息和数据处理能力，其最新的WinCC5.0支持在办公室通过IE浏览器动态监控生产过程。

2.2 步进电机简介

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当