PLC的步进电机组态监控系统设计论文.docx

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PLC的步进电机组态监控系统设计论文

基于PLC的步进电机组态监控系统设计

SteppingmotorbasedonPLCconfiguration

monitoringsystemdesign

基于PLC的步进电机组态监控系统设计

SteppingmotorbasedonPLCconfiguration

monitoringsystemdesign

基于PLC的步进电机组态监控系统设计

[摘要]本设计旨在构建步进电机组态监控系统。

以力控组态软件为开发界面，以PLC、变频器、步进电机、异步电机为监控对象，通过系列的通讯协定和对象、脚本编辑完成系统设计。

实现监控效果从上位机界面向PLC、变频器发送多种控制信号，使异步电机完成相应动作。

同时步进电机始终对异步电机运转状态进行跟随，并将各对象工作状态实时显示在监控界面之上。

充分体现出组态监控系统在实际运用中的高效、直观、便捷的优点。

[关键词]步进电机；组态监控系统；可编程控制器；变频器；编码器

DesignofConfigurationandMonitoringSystemforthe

PLC-basedsteppermotor

ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyZHULi-shu

Abstract:

Thisisdesignedtobuildasteppermotorconfigurationmonitoringsystem.Powercontrolconfigurationsoftwareforthedevelopmentofinterfaces,PLC,inverter,steppermotor,inductionmotorformonitoring,throughaseriesofprotocolsandobjects,thescripteditortocompletethesystemdesign.Monitoringperformance-fromthehostcomputerinterfacetothePLC,invertersendavarietyofcontrolsignals,theinductionmotortocompletetheaction.Steppermotorisalwaysrunningconditionoftheinductionmotortofollow,andobjectworkingstatusreal-timedisplayabovethecontrolinterface.Fullyembodiestheadvantagesoftheconfigurationmonitoringsystemisefficientinpracticaluse,intuitive,andconvenient.

Keywords:

Steppermotor;configurationmonitoringsystem;programmablecontroller;inverter;encoder

1引言

1.1课题研究的背景及意义

目前，随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。

向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。

而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。

利用可编程序控制器（即PLC技术）可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现。

用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，现对步进电机的控制。

由可编程序控制器性高、维护方便、开发周期短，这种步进电机更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完和微机组成的步进电机逻辑控制系统，正快速的发展着。

采用PLC控制的步进电机可靠成更为复杂的控制任务，已成为步进电机的发展方向。

本设计为模拟应用型系统项目，以PLC作为控制系统的核心，用组态软件对系统进行监控，充分发挥组态软件适应性强、维护方便、易于扩展、经济的特点。

基于步进电机良好的控制和准确定位特性，被广泛应用在精确定位方面，诸如数控机床，绘图机，自动控制计算装置等自动控制领域。

PLC作为简单化了的计算机，功能完备灵活，控制系统简单易懂，价格便宜，可现场修改程序，体积小，便于维护等优点，在全世界广泛应用，为生产生活带来巨大的效益方面。

因此，通过研究用PLC来控制步进电机，既可实现精确定位控制，又能降低控制成本，还有利于维护。

以往的步进电机血药靠驱动器来控制，随着技术的发展与不断完善，PLC具有了通过自身输出脉冲直接控制步进电机运动，这样就有利于步进电机的精确控制。

我们国家的步进控制系统的研究较国外晚一些，但是也推出了一些比较好的步进控制系统。

但跟国外还是有差距的，主要体现在控制的精度上，随着国内经济的发展，国内设备对控制精度的要求越来越高，现成的控制系统仍有许多需要改进和完善的地方，因此要不断地改进和技术革新。

在国内，步进电机在工农业方面的应用越来越广泛。

本课题研究意义：

本课题以台达DVP40ES型PLC为核心控制器，以计算机为人机交互界面，以组态软件为开发平台，通过对步进电机跟踪异步电机运行的设计、PLC控制程序设计及计算机程序设计，主要锻炼学生的控制系统的设计能力，PLC程序设计能力，计算机程序设计能力,组态软件的监控学习及综合应用能力设计。

1.2本课题所涉及的问题在国内外研究的现状

国内研究状况：

我国在步进电机研究方面起步较晚，但随着经济的飞速发展，城市化进程十分迅速，对电机的需求也与日俱增。

现在，我国的电机行业已经具备了很强的生产能力，技术水平和产品质量正在稳步提高。

在组态软件方面，自2000年以来，国内监控组态软件产品、技术、市场都取得了飞快的发展，应用领域日益拓展，用户和应用工程师数量不断增多。

其中为人们广为熟知的有世纪星、三维力控、组态王等，已得到全面的推广和应用。

国外研究状况：

20世纪初，随着船舶工业的发展，使得步进电机的技术得到了长足的进步。

到了80年代后期，由于廉价的微型计算计以多功能的形态出现，步进电机的控制方式更加灵活多样。

原来的步进电机控制系统采用分立元件或是集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，而且一旦定型后，要改变控制方式就要重新设计电路。

计算机则通过软件来控制步进电机，更好地发挥出电机的潜力。

因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化时代趋势。

本课题主要问题：

通过系统设计，要熟练掌握PLC和组态软件应用系统的开发过程，学习如何分析整个系统并建立模型，旋转编码器的种类和使用方法，学习编写程序并使用组态软件设计模拟监控系统的方法。

设计过程中，PLC的工作原理，组态软件学习，旋转编码器的应用以及各硬件之间的链接是难点也是重点，希望自己从设计中认识到不足，提高自己解决实际问题的能力。

1.3设计要求及解决方案

本课题的设计要求：

（1）学习PLC的步进电机控制系统，并掌握组态软件的组态方法。

（2）设计组态仿真的画面、程序以及与PLC的通信等。

（3）完成PLC编程及仿真和步进电机控制系统的仿真。

（4）运行系统，监视系统运行过程，对运行结果进行分析。

步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差特点，使得在速度、位置等控制领域步进电机来控制变得非常的简单。

可编程控制器（ProgrammableController）控制步进电机可以降低步进电机的转速，增加步进精确性，同时也减小了谐振问题，在低速时，更能改善步进电机的性能，是步进电机驱动的一种较好的选择。

PLC具有实时刷新技术,输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高,使得脉冲分配能有很高的分配速度,充分利用步进电机的速度响应能力,提高整个系统的快速性。

本次设计选用的设备有异步电机（一台）、五相步进电机驱动器（一台）、五相步进电机（一台）、台达VFD007M43B型变频器（一个）、台达DVP40ES00T2型PLC一台）、旋转编码器（两台）；需要实现基于PLC的步进电机对异步电机的实时跟随动作如：

正转、反转，加速，减速，匀速，并通过人机对话在组态界面上显示模拟的动态效果。

任何设计无不是为了解决实际生产、生活中的实际问题，而针对不同问题的解决，可灵活选用不同的控制方案。

实际生产中往往要求组态监控系统不仅完成监控任务，同时也需要达到一定的控制功能。

本课题研究的思路：

当给系统通上电源时，点击开始按钮，按正转按钮，异步电机开始转动，利用变频器设置一速度驱动三相异步电机，旋转编码器1测出该速度传给台达PLC的寄存器1，PLC发出一定的脉冲控制五相步进电机驱动器，驱动五相步进电机，再利用旋转编码器2测出五相步进电机的速度，传给PLC的寄存器2，下载到组态软件的变量连到两个寄存器中，最后在组态界面上显示动态的速度。

方案控制方式结构图如图1-1所示：

图1-1方案一控制方式结构图

从上位机组态界面向台达PLC发送模拟量控制数据，台达PLC将接收到的控制数据写入变频器当中，使变频器驱动异步电机在设定频率下运行，旋转编码器测量该异步电机的转速信号并反馈给台达PLC，台达PLC根据此转速信号来驱动步进电机，使步进电机能够实时跟踪异步电机的运转，同时在组态界面上实现对两台电机运转状态的实时监控。

通过查阅相关学术论文及资料，在我的设计中也可以设计复杂的二级网络。

试验台也可作为上位机、台达PLC、欧姆龙PLC、变频器、步进驱动器等设备的综合试验台，实现更为复杂的二级网络控制方案。

对于此方案的确立需要学习欧姆龙PLC硬件的使用以及软件的编程。

如果在条件允许的情况下此方案是可行的，根据方案一的思路，我们可以设计方案二。

对于异地控制的速度跟随系统，尤其是控制器PLC资源不允许的控制系统可以采用第二种方案。

即控制系统中包含一个上位机、两个独立的下位机，将异步电机的无极调速控制与步进电机的跟随动作分为两组任务，由不同的PLC来完成控制。

如图1-2所示。

图1-2方案二控制方式结构图

由组态控制界面向台达PLC发送模拟量控制数据，台达PLC将接收到的控制数据写入变频器当中，使变频器驱动异步电机在设定频率下运行，旋转编码器测量该异步电机的转速信号并反馈给台达PLC，台达PLC根据此转速信号来驱动步进电机，使步进电机能够实时跟踪异步电机的运转，同时在组态界面上实现对两台电机运转状态的实时监控。

设计中需要完成上位机与下位机之间的通信以及下位机与控制器之间的通信，以方案二的控制结构关系图为例，上位机与下位机PLC间可使用RS232串行通信，下位机中的台达PLC与变频器可采用RS485通信方式。

1.4系统设计的可行性分析

（1）研究的必要性：

步进电机控制技术的教学和科研对于自动化专业学生的培养是必须的。

国内虽有多家实验教学设备生产厂家，但价格昂贵，建设周期长。

所以自我研制驱动实验装置对于学科建设和学生培养很有现实意义。

（2）设计原理可行性：

台达的PLC、驱动器、步进电机、旋转编码器等自动化产品在国内自动化领域的应用越来越广泛，如在恒压供水、风机节能、造纸、织布印染、工业洗涤、塑材生产、机械加工、包装印刷等多个行业中得到很好的应用。

价格适当，且能完成较为复杂的控制过程。

本课题采用台达产品组成完整的控制系统是可行的。

（3）知识能力的可行性：

通过自学台达PLC的硬件篇与程序篇系统掌握了控制程序设计能力；学习了步进电机编码器，变频器的原理，特别是组态软件的学习完成了本课题的动态监控模拟画面。

在我的指导老师韩老师的精心指导下，一定能够按计划完成毕业设计任务的系统设计指标的要求。

2基于PLC的步进电机组态监控系统硬件选型

2.1步进电机的工作原理

步进电机作为一种感应电机，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。

步进电机工作时将电脉冲信号转变为角位移或线位移。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

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。

步进电机也可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点，广泛应用于各种开环控制。

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。

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。

当定子的矢量磁场旋转一个角度。

转子也随着该磁场转一个角度。

每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。

它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。

改变绕组通电的顺序，电机就会反转。

所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。

反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的特点。

它又分为两相和五相：

两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。

这种步进电机的应用最为广泛。

2.2步进电机的基本参数特点及选型

电机固有布距角表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。

电机出°°°°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

°°°°°°。

在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。

如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。

由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。

比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

步进电机的特点

（1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

（2）步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

（3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。

在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

（4）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数：

空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。

在有负载的情况下，启动频率应更低。

如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。

伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

本次设计提供有两相步进电机驱动器ZD-HB2044、两相步进电机与五相步进驱动器ZD-HB5034、五相步进电机；但考虑到所提供的五相步进电机运行时震荡较小，设计中优先选用了混合式五相步进电机。

其型号为:

“88BYG550B”。

型号说明如下：

（1）“88”—步进电机外径88mm；

（2）“BYG”—混合式步进电机；

（3）“5”—五相；“50”—转子齿数；

（4）“B”—派生代号。

设计中用到的步进电机为五相十拍工作方式，步进驱动器脉冲分配方式为：

“A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA-A”。

该步进电机步距角为0.720，见式（1-1）：

（1-1）

式中K为定子绕组通电方式系数，取其值为2；M为步进电机相数，取其值为5；分母中“50”为转子齿数。

所用步进电机又有半步工作方式以进行细分，从而能提高步进电机的控制精度。

半步工作状态步距角为0.360，此时步进电机旋转一周所需要的脉冲个数为1000个。

（1）步进驱动器

步进电机的运行要有一电子装置进行驱动,这种装置就是步进电机驱动器,它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移,或者说:

控制系统每发一个脉冲信号,通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。

所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。

所以，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位目的；

步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动器工作在10细分状态时，其步距角只为‘电机固有步距角‘的十分之一，也就是说：

‘°°‘，这就是细分的基本概念。

细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生，与电机无关。

驱动器细分后的主要优点为：

完全消除了电机的低频振荡。

低频振荡是步进电机（尤其是反应式电机）的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果您的步进电机有时要在共振区工作（如走圆弧），选择细分驱动器是唯一的选择。

提高了电机的输出转矩。

尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约30-40%。

提高了电机的分辨率。

由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，‘提高电机的分辨率‘是不言而喻的。

本课题加的步进电机驱动器是将市压220V降到40V,驱动将两相40V的电压转换为五相（根据步进电机型号确定）,PLC输出的脉冲数连到驱动上。

中达五相步进驱动器（ZD-HB5034）对应参数及端口介绍如图2-1所示：

图2-1五相步进驱动器说明

通过查阅中达五相步进驱动器（ZD-HB5034）技术资料，最终确定了合理的接线方式和端口功能说明一起归纳如表2-1所示。

表2-1步进驱动器各端口接法

标记符号

功能

注释

TEST

试机信号调节

试机用简单脉冲，正常工作时必须关闭（逆时针到头）

CURSTOP

锁定电流调节

出厂时设定，建议不要自行调整

CUR

相电流调节

出厂时设定，建议不要自行调整

COM

公共端

与F/H、FRE配合使用，作为控制信号公共端，接低电平

F/H

整步/半步切换信号

°°）切换信号，高电平整步运行，默认为半步，整步控制时接+5V

ERROR

出错报警指示灯

驱动器过压时，指示灯亮（红色报警指示灯）

TIMMGO

相原点指示灯

每二十个脉冲，指示灯亮一次（黄色指示灯）

POWER

电源指示灯

有电源输入时，指示灯亮（绿色指示灯）

CP+，-

步进脉冲信号

CW+，-

方向控制信号

接+5V电机反转，高于+5V需串限流电阻（本次设计中串入3k电阻）

A

电机接线端

接五相步进电机的五个输入端

B

C

D

E

AC

电源输入端

AC20-40V（本次用到的电源为交流40V）

（2）步进电机

在给步进驱动器配电时，必须确认驱动器供电电源不高于40V,否则驱动器上报警指示灯会点亮，驱动器不能正常工作，也可能会造成驱动器损坏。

步进电机在运行之前要检查电机底座是否固定牢固，以避免电机在高速运行时发生振荡，损坏机身。

为了使冷却循环效果良好，安装步进驱动器时，其上下左右与相邻的物品和挡板必须保持足够的空间，否则会造成机身过热，寿命缩短。

2.3PLC选型

PLC（ProgrammableLogicController）即可编程控制器，也叫工控机,乃是一种电子装置，早起称为顺序控制器“SequenceController”,1978NEMA（NationalElectricalManufactureAssociation）美国国家电气协会正式命名为ProgrammableLogicController（PLC）,其定义为一种电子装置，主要将外部的输入装置如：

按键，感应器，开关及脉冲等的状态读取后，依据这些输入信号的状态或数值并根据内部储存预先编好的程序，以微处理机执行逻辑，顺序，定时，计数及算式运算，产生相对应的输出信号装置如：

继电器的开关，电磁阀及电机驱动器，控制机械或程序的操作，达到机械控制自动化或加工程序的目的。

并藉由外围的装置（个人计算机/程序书写器）轻易地编辑/修改及监控装置状态，进行现场程序的维护及试机调整。

而普遍使用于PLC程序设计的语言，即是梯形图（LadderDiagram）程序语言。

台达公司的PLC型号有很多，客户可根据自己的具体需求来选择不同型号的PLC。

台达PLC的型号有ES/EX/SS/SA/SX/SC/EH/EH2/SV等，每种型号的PLC的输出形式也不太一样，有晶体管（T）输出和继电器（R）输出，同时其输入继电器（InputRelay），输出继电器（OutputRelay），内部辅助继电器（InternalRelay），步进点（Step），定时器（Timer），计数器（Counter），数据寄存器（DataRegister），文件寄存器（FileRegister），变址寄存器（IndexRegister）也是不一样的，有数量和大小的不同[13]。

但基本指令没有什么区别，都是一样的，可用梯形图进行编程，也可用指令语句来编写。

但用指令形式编写没有梯形图使用的广泛，同时还易造成扫描时间过长。

客户应根据自己的掌握情况来编写控制程序。

其工作时仍然采用循环扫描的工作方式，依照从上到下，从左到右的形式进行扫描，根据输入寄存器的数据的变化来刷新输出寄存器的内容。

台达提供的DVP系列可程式控制器及高速低价迷你型可程式控制器都是在工业界拥有通讯能力及最有效率的设备，也在行政管理上有先进影响力。

在各机种內，有许多优点，例如数个內建便利的命令（可与台达交流马达驱动器连接）于操作及通讯功能监视，拥有模组单位体积（有许多空间可储存），高速高可信度及多功能多变化性。

各系列依其功能规格而区分而定。

PLC目前，在国内