基于PLC的步进电机控制.docx

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基于PLC的步进电机控制

基于PLC的步进电机控制

————————————————————————————————作者：

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2014~2015学年第1学期

《电气控制及PLC》

课程设计报告

题目：

步进电机的PLC控制设计

专业：

自动化

班级：

11自动化

（1）班

姓名：

李勇李亚李新明荆欢

贾伟黄龙飞皇甫趁心

*******************************

电气工程学院

2014年10月31日

1、任务书

课题名称

步进电机的PLC控制设计

指导教师（职称）

江春红

执行时间

2014~2015学年第1学期第9周

学生姓名

学号

承担任务

李勇

1109111021

负责软件系统的设计

李亚

1109111020

负责步进电机运行的控制原理设计

李新明

1109111019

负责硬件系统的设计

荆欢

1109111018

负责系统调试

贾伟

1109111017

文档的排版和整理

黄龙飞

1109111016

搜集整理资料

黄甫趁心

1109111015

负责各成员之间交流沟通

设计目的

学会运用所学的理论知识，进行步进电机运行的控制原理设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新设计，提高理论知识工程应用能力、系统调试能力、分析问题与解决问题的能力。

设计要求

步进电机为二相混合式，供电电压24VDC，功率30W，电流1.7A（或1.2A），转矩0.35NM,步矩角1.8°/0.9°，并配有细分驱动器，实现细分运行，减少振荡。

摘要

步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。

步进电机作为制执行元件，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。

例如，在仪器仪表，机床设备以及计算机的外围设备中（如打印机和绘图仪等），凡需要对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。

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。

软件PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、网络通信、PID调节等功能，通过一个多任务控制内核，提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和可连接各种I/O系统的及网络的开放式结构。

用PLC控制步进电机的定位、转向、调速、细分有很大的优势与前景。

此次设计是利用PLC的控制方法，上位机的监控功能，在试验室进行模拟实现的。

试验结果达到了预期的功能。

关键词：

软PLC；步进电机；上位机；定位；转向；调速；细分

1引言

步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的执行机构。

由于受脉冲的控制,其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比,通过控制脉冲数量来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;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;通过改变通电顺序,从而达到改变电机旋转方向的目的。

步进电机是机电一体化的关键产品，广泛应用于各种自动化控制系统和机电一体化设备中。

随着微电子技术和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各行各业都得到了广泛的应用。

可编程逻辑控制器ProgrammablelogicController（通常称为PLC）是一种工业控制计算机，具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能，能充分适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高，是目前广泛应用的控制装置之一，PLC对步进电机也具有良好的控制能力，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，即可实现对步进电机的控制。

利用PLC控制步进电机，其脉冲分配可以有软件实现，也可由硬件组成。

软件PLC（SoftPLC，也称为软逻辑SoftLogic）是一种基于基于PC机开发结构的控制系统，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可以将标准的工业PC转换成全功能的PLC过程控制器。

软件PLC提供了与硬PLC同样的功能，同时又提供了PC环境的各种优点。

本文中，我们将对软PLC 进行综述，对采用PLC来进行步进电机的设计研究进行介绍。

并以三菱的FN2系列的PLC为例，讨论步进电机的PLC控制系统的硬件和软件设计方法，以及利用组态设计，通过上位机进行监控与PLC进行通信，从而实现对系统的控制。

2.方案论证与对比

2.1方案一

步进电机的控制方式采用开环控制方式，即步进电机驱动系统的输入脉冲不依赖与转子的位置,而是事先按一定规律给定的。

负载位置对控制电路没有反馈,因此步进电机必须正确的响应每次励磁变化。

图2.1步进电机开环控制框图

2.2方案二

闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度,然后通过反馈和适当的处理,自动给出脉冲链,使步进电机每一步都响应控制信号的命令,从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。

图2.2步进电机闭环控制框图

2.3方案对比与选择

通过对比，步进电机的最显著的优势是不需要位置反馈信号就能够进行精确的位置控制。

这种开环控制形式省去了昂贵的位置传感器件，只需对输入指令脉冲信号计数，就能知道电机的位置。

在开环控制系统中，电机响应走步指令后的实际运行情况，控制系统是无法预测和监视的。

在一些运行速度范围宽、负载大小变化频繁的场合，步进电机容易失步，而使整个系统趋于失控。

这时候，可以对步进电机进行位置闭环控制。

控制系统对电动机转子位置进行检测，并将信号反馈至控制单元，使得系统对步进电机发出的走步命令，只有得到相应实际位置响应后，方告完成。

因此，闭环控制的最基本任务是防止步进电机失步。

闭环控制的励磁延时设置随负载而变化，它能产生接近最佳的速度曲线和快速的负载定位。

并且一般采用直接监视负载位置的方法，因此发生失步的可能性大大减小。

但在本实验中因为要求不是很高，所以只要采取最简单的开环控制系统，用来实现步进电动机的正转、反转、加速、减速、定位。

3、系统设计

3.1PLC内部原理

可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。

通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。

可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。

这种计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。

PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一至。

如图3.1aPLC硬件的基本结构图所示：

图3.1PLC硬件的基本结构图

根据设计要求系统的I/O分配表如下：

表1I/O分配表

输入端

输出端

输入设备

输入端子

输出设备

输出端子

启动停止按钮SB1

X000

电机A相线圈

Y0

正反选择按钮SB2

X001

电机B相线圈

Y1

慢速选择开关SA1

X002

方向选择

Y2

慢速选择开关SA2

X003

按钮K1驱动线圈

Y3

定位按钮SB3

X004

按钮K2驱动线圈

Y4

运行按钮SB4

X005

按钮K3驱动线圈

Y5

细分按钮K1

X006

细分按钮K2

X007

细分按钮K2

X010

3.2二相混合式步进电机工作原理

二相步进电机有2个绕组，当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到此磁极处。

若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向按照A

A

B四个状态周而复始进行变化，电机科顺时针转动；通电顺序为A

B

A

时，电机就逆时针转动。

步进电机是一种将电子数字脉冲信号转变为机械运动的电磁增量运动器件。

典型的电机绕组固定在定子上，而转子则由硬磁或软磁材料组成。

当控制系统将一个电脉冲信号经功率装置加到定子绕组中，电机便会沿一定的方向旋转一步。

脉冲的频率决定电机的转速。

电机转动的角度与所输入的电脉冲个数成正比；因此，只要简单地改变输入脉冲的数目，就能控制步进电机的转子运行角度，从而达到位置控制的目的。

步进电机有以下特点：

（1）运行角度正比于输入脉冲，便于开环运行，花费少；

（2）具有锁定转矩；

（3）定位精度高，并且没有累积误差；

（4）具有优良的起动、停止、反转响应；

（5）无电刷和可靠性高；

（6）可低速运行，直接驱动负载；

（7）不适宜的控制会引起振动；

（8）不宜运行于高速状态。

图3.2二相图步进电机内部原理图

3.3驱动器原理

步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。

驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动。

图3.3a开环步进电动机控制系统框图

驱动电路由脉冲信号分配和功率细分驱动电路组成。

根据控制器输入的脉冲和方向信号，为步进电机各绕组提供正确的通电顺序，以及电机需要的高电压、大电流；同时提供各种保护措施，如过流、过热等保护。

功率驱动器将控制脉冲按照设定的模式转换成步进电机线圈的电流，产生旋转磁场，使得转子只能按固定的步数来改变它的位置。

连续的脉冲序列产生与其对应同频率的步序列。

图3.3b步进电机驱动控制电路硬件连接框图

图中I1.0、I1.1和I1.5为输入控制信号端;Q0.0和Q0.1为两路高速脉冲，分别负责驱动电机开启定位和停止控制。

3.4硬件与软件设计

步进电机电机的PLC控制系统是要求用由PLC控制器、二相混合式步进电机、细分驱动器等器件组成，此外应设计要求要利用上位机进行监控，所以要用到上位机。

根据设计要求该系统要实现对步进电机的速度、方向、定位、细分等控制功能，要设计相应的程序才能使之实现，而快速与慢速、以及定位功能的实现都是靠PLC发出的高速脉冲来控制的，改变脉冲的宽度即频率来实现快慢，产生脉冲个数的多少来实现准确的定位，所以控制的关键是控制产生的脉冲。

硬件连接与程序流程图分别如下图3.4a，图3.4b所示：

图3.4aPLC硬件连接图

图3.4b系统流程图

4、组态的设计

在本系统设计中采用灯的点亮来模拟电机的运行状态，监控软件采用了北京亚控公司的Kingview6.5组态王软件。

4.1I/O口的定义

首先双击工程浏览器左侧大纲项“设备\COM1”，弹出串口设置对话框，如图6所示。

图4.1a串口设置对话框

要用组态软件进行实时监控首先要完成通讯连接，组态王通讯参数应与PLC的通讯参数设置保持一致。

由于本系统是PLC与组态王间进行通讯，因此将PLC的生产厂家、设备名称、通讯方式等填入相应的对话框即可。

然后选择工程浏览器左侧大纲项“设备\COM1”在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，选择PLC三菱FX2系列产品中“编程口”

4.2构造数据库

数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。

根据梯行图程序中的I/O配置列表，定义各变量如下表2所示。

表2I/O配置列表

变量名

描述

变量

类型

连接

设备

寄存器

数据

类型

读写

属性

初始值

X0

控制起/停

I/O离散

FX1N

X0

bit

读写

关

X1

正反转

I/O离散

FX1N

X1

bit

读写

关

X2

慢速按钮

I/O离散

FX1N

X2

bit

读写

关

X3

快速按钮

I/O离散

FX1N

X3

bit

读写

关

X4

定位

I/O离散

FX1N

X4

bit

读写

关

X5

运行

I/O离散

FX1N

X5

bit

读写

关

Y0

A相

I/O离散

FX1N

Y0

bit

只读

关

Y1

B相

I/O离散

FX1N

Y1

bit

只读

关

4.3建立动画连接

图4.3动画连接图

根据以上画面中的开关可以来控制PLC设备上的开关按钮，可以监视控制PLC上设备的运行，根据不同情况来调节系统的启停，快速慢速等功能。

5、系统功能调试与性能分析

5.1系统调试中的问题及解决方案

5.1.1软件调试

系统开始运行但没有响应，经试验分析是输入频率过高，所以应输入适当的脉冲频率，脉冲低电平的持续时间不应少于300ns。

过高的输入频率将可能得不到正确响应。

5.1.2、正反转未响应

有时在电机运行时按正反转方向键不能正确的响应，理论上信号的改变将使电机运行的方向发生变化，这可能是方向信号未领先脉冲信号输入至少10μs，造成驱动器对脉冲的错误响应，从而不能改变方向。

5.1.3、定位的误差

本系统的定位功能只能在一定范围内实现，不能实现精确的定位，在定位的过程中可以停止但不能回到初始位置，功能有待完善。

5.1.4、组态设计中的问题

在设计实现上位机控制设计组态时注意I/O配置必需设置好，要与PLC上的设备配套起来，另外就是设置串口实现上位机与PLC的通信，只有设置好了才能进行正常的通信，实现监控。

5.1.5、其它

系统启动时初始设定是正转，必需选择一个慢速或高速才能运行，由于试验器材不够，没有细分驱动器，不能实现细分功能。

6、详细仪器清单

表3仪器清单

仪器名称

数量

三菱FX-2NPLC

1台

PLC模拟测试台

1台

模拟面板

1块

各类导线

若干

上位机

1台

7、总结与致谢

这次课程设计我们做的是软PLC控制步进电机控制系统的设计，要做好该设计，必须对整个系统有一个全面的了解，因此我最开始是弄清楚各部分的工作原理和特性。

这次设计不仅增强了我的专业方面的能力，在与小组成员的合作中，我们也学会了沟通和合作，学会共同解决问题，互帮互助。

对于各自的个题也有更深的理解。

也锻炼了我们在问题和困难面前的耐心与毅力，不轻易放弃，一遍不行就试第二遍，相信自己最终都能解决。

使我们能更好的完成课程设计。

实践是检验真理的唯一标准。

通过本次设计，使我们对平时所学的各科理论知识有了更深更全面的理解，同时也提高了动手能力，最后要感谢本组的所有成员的共同努力。

参考文献

[1]孙平,邢军.PLC控制步进电机驱动系统.河南师范大学学报（自然科学版）,2001,（04）.

[2]陶涛,赵国豪,乔渠.步进电机精确控制问题探讨.科技信息,2010,（01）:

16-17

[3]范永胜,王岷编.电气控制与PLC运用（第二版）.北京：

中国电力出版社,2007年2月．

[4]高邓波.电路分析的程序设计.中国科技信息,2010,（03）:

119-120

[5]王功利,蒋建华,田玉莲,韩勇.具有步进电机控制和定标器功能的PC机接口板.第8届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集

（二）,1996

[6]王雯.利用PLC提升平网印花控制单元可靠性.中国纺织报,2010,（2010-02-03）

[7]范贵慈.利用PLC实现步进电机驱动的闭环控制.包装与食品机械,2002,（05）

[8]张晓东.PLC对步进电机的控制.山西机械,2003,（03）

[9]宣财鑫.PLC脉冲控制步进电机技术[J]机车车辆工艺,2002,（01）

[10]孙建仁.步进电机的PLC控制系统设计.机械研究与应用,2001,（04）

[11]孙平,邢军.PLC控制步进电机驱动系统.河南师范大学学报（自然科学版）,2001,（04）

[12]骆彬,刘震霆.利用PLC实现对步进电机的控制.军民两用技术与产品,2007,（06）

附录一梯形图

附录二源程序

7、答辩记录及评分表

课题名称

答辩教师（职称）

江春红杨锐敏

答辩时间

2014年10月31日

答

辩

记

录

评分表

学生姓名

学号

评分

李勇

1109111021

李亚

1109111020

李新明

1109111019

荆欢

1109111018

贾伟

1109111017

黄龙飞

1109111016

黄甫趁心

1109111015