五相单双十拍步进电动机设计说明书Word文件下载.docx

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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:

S7-200PLC；

梯形图；

五相十拍步进电动机

2.6.1主电路图………………………………………………………………………………….15

2.6.2控制电路图……………………………………………………………………………….16

2.6.3元件清单………………………………………………………………………………….16

2.6.4元件布置图……………………………………………………………………………….17

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。

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。

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。

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。

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

2.1PLC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S7-200CPU222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2-1CPU222的图片及简要介绍

2.2I/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2-1I/O地址分配表

输入点

输出点

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

QS

I0.4

E相绕组

E

Q0.4

2.3PLC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2-2PLC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

M1.1

M1.0

M0.7

M0.6

M0.5

M0.4

M0.3

M0.1

M0.0

1

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）

移位寄存器MW0

正转

M0.2

0

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）

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