PLC控制步进电机的运行.doc

PLC控制步进电机的运行

———————————————————————————————— 作者：
———————————————————————————————— 日期：

2

个人收集整理 勿做商业用途
安徽工业经济技术职业学院

实验报告

题目：PLC控制步进电机的运行
院 系 电子信息技术系
专 业 电气自动化
班 级 2010级 2 班
学 号 201053212
学生姓名 谢正全
指导教师 姚烨

电子信息技术系
二〇一二年五月

说 明
随着时代的飞速发展，电气控制也由继电器过渡到计算机控制系统，各种工业用计算机控制产品的出现对提高机械设备的自动化性能起到了关键的作用.
可编程控制器（PLC）是一种以电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置.
在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。
本文主是根据设计要求，在了解步进电机原理的情况下，结合实际应用将PLC与步进电机有效的结合起来，达到控制目的.

目 录
说 明 Ι
目 录 II
概 述 1
第一章 步进电机 2
1.1 步进电机介绍 3
1.1.1 步进电机分类
1。1.2 步进电机的特点 3
1.2 步进电机结构及工作原来 4
第二章 PLC可编程序控制器 5
2。1 可编程控制器起源及特点 6
2。2 可编程控制器主要分类 7
2。3 可编程控制器发展方向 8
第三章 设计及调试 8
3。1 技术指标 9
3.2 步进电机驱动器控制步进电机 10
3.2.1 步进电机与PLC的连接 11
3。3 实验：二相步进电机的运行 12

第四章 结束语… … … … … … … … … … … ……………………………14

- 13 -
概 述
1 可编程控制器控制步进电机的意义
可编程控制器（简称PLC）以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业自动控制中.特别是在组合机床自动生产线的控制及CNC机床的S、T、M功能控制更显示出其卓越的性能。PLC控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低70～90%，甚至只占用自动线控制单元PLC的3～5个I/O接口及<1KB的内存.特别是大型自动线中可以使控制系统的成本显著下降。
一般组合机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用PLC控制的数控滑台由可编程控制器、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成，伺服传动机构中的齿轮Z1、Z2应该采取消隙措施，避免产生反向死区或使加工精度下降;而丝杠传动副则应该根据该单元的加工精度要求,确定是否选用滚珠丝杠副。采用滚珠丝杠副,具有传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优点，但成本较高且不能自锁。

第一章 步进电机结构

1 步进电机介绍

1。1.1 概述
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。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。

步进电机的分类

(1）永磁式步进电机
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。
(2）反应式步进电机
. 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,但声和振动都很大。
(3)混合式步进电机
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相。两相步进角一般分为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。

1。1.2 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取决于不同电机磁性材料的退磁点。
步进电机温度过高时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）。

2 步进电机的内结构、工作原理
步进电机内部机械构造如图1.1：

三相反应式步进电机的结构如图1。2所示：
定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的.定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C三相

三相反应式步进电机的结构图1.2

在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿，采用适当的齿数配合，当A相磁极的小齿与转子小齿一一对应时，B相磁极的小齿与转子小齿相互错开1/3齿距，C相则错开2/3齿距.如图1.3所示：

步进电机的齿距图1。3

上图中，A相绕组与齿1、5一一对应，而此时B相绕组与齿2错开1/3齿距,而与齿3错开2/3齿距，C相绕组与齿3错开2/3齿距，而与齿4错开1/3齿距。
电机的位置和速度由绕组通电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系.而方向由绕组通电的顺序决定.

1.2 步进电机的工作原理
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，但步进电机并不能象普通的直流电机，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.

第二章 可编程控制器（PLC）
1 可编程控制器起源
20世纪是人类科学技术迅猛发展的一个世纪，电气控制技术也由继电器控制过渡到计算机控制系统。各种工业用计算机控制产品的出现,对提高机械设备的自动控制性能起到了关键的作用.进入21世纪，各种自动控制产品的出现正向着控制可靠,操作简单,通用强，价格低的方向发展，使自动控制的实现越来越容易。
自动控制装置的研究，是为了最大限度在满足人们及机械设备的要求。曾一度在控制领域占主导位置的继电器控制系统，存在着控制能力弱,可靠性低的缺点，并且设备的固定接线控制装置不利于产品的更新换代。20世纪60年代末期,在技术改革浪潮产冲击下，使汽车结构及外形为断改进，品种不断增加，需要经常变更生产工艺。这就希望在控制成本的前提下，尽可能缩短产品的更新换代周期，以满足生产的需求，使企业在激烈的市场竞争中取胜。
2 可编程控制器的主要特点
2。 PLC的主要特点
（1) 可靠性高，抗干扰能力强。由于采用大规模集成电路和微处理器，使系统器件数大大减少，并且在硬件的设计和制造的过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境,具有很高的可靠性。
（2) 编程简单，使用方便。目前大多数PLC均采用梯形图编程语言，沿用了继电接触控制的一些图形符号，直观清晰,易于掌握。
（3) 通用性好，具有在线修改能力.PLC硬件采用模块化结构，可以灵活地组态以适应不同的控制对象，控制规模和控制功能的要求。且可通过修改软件，来实现在线修改的能力,因此其功能易于扩展，具有广泛的工业通用性。
(4) 缩短设计、施工、投产的周期，维护容量.目前PLC产品朝着系列化、标准化方向发展，只需根据控制系统的要求，选用相应的模块进行组合设计，同时用软件编程代替了继电控制的硬连线，大大减轻了接线工作,同时PLC还具有故障检测和显示功能，使故障处理时间缩短。
(5） 体积小，易于实现机电一体化.
PLC体积小，重量轻，便十安装。的结构紧凑，它与被控制对象的硬件连接方式简单、接线少,便于维护。

3 可编程控制器的分类
1 根据硬件分类
根据硬件结构的不同,可以将PLC分为整体型、模块式和叠装式。
整体式将CPU模块、IO模块及电源装于一个机箱内,结构非常紧凑。体积小，价格低，小型PLC一般采用整体式结构.
模块式PLC用搭积木的方式组成系统，大、中型PLC和部分小型PLC采用模块式结构。
叠装式吸取了整体式和模块式的优点，它的基本单元、扩展单元和扩展模块的高度和深度相同，但宽度不同，它们之间通过扁平电缆连接,使用特别方便。
2。按I/O点数分
小型PLC：入出总点子数£256
中型PLC：入出总点子数256～2048
大型PLC：入出总点子数〉2048
3。按功能分
低档机
中档机
高档机
可编程控制器的发展趋势
1．向高速度、大容量方向发展
 为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前,有的PLC的扫描速度可达0。1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。
 在存储容量方面,有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。
    2．向超大型、超小型两个方向发展
 当前中小型PLC比较多，为了适应市场的多种需要，今后PLC要向多品种方向发展,特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器,多CPU并行工作和大容量存储器，功能强.
 小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC,最小配置的I/O点数为8～16点,以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司α系列PLC。
    3．PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力
 为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。这些带CPU和存储器的智能I/O模块，既扩展了PLC功能，又使用灵活方便，扩大了PLC应用范围.
加强PLC联网通信的能力，是PLC技术进步的潮流。PLC的联网通信有两类：一类是PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是PLC与计算机之间的联网通信,一般PLC都有专用通信模块与计算机通信。为了加强联网通信能力，PLC生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准,以构成更大的网络系统,PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分.
     4．增强外部故障的检测与处理能力
     根据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5％，I/O接口占15％，输入设备占45%，输出设备占30％,线路占5%。前二项共20％故障属于PLC的内部故障,它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理；而其余80%的故障属于PLC的外部故障。因此，PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。
    5．编程语言多样化
  在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。除了大多数PLC使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等)等.多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势.

第三章 设计及调试
3.1 技术指标
设计方案及要求
用S7—200PLC可编程控制器对步进电机的运行控制,以实现在自动控制系统中的位置及转速控制。
【性能要求】
1、响应时间：≤1ms
2、供电电源：50Hz 220V或380V
3、位置精度:细分:10000步/圈

3。2 步进电机驱动器控制步进电机
进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向；如三相步进电机通电顺序为A-AB—B—BC—C—CA—A…时步进电机正转；当绕组按A—AC-C—CB-B-BA-A…顺序通电时步进电机反转。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现,或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现

步进电机与步进电机驱动器如图所示
17HS101为2相混合式步进电机,步距角为1。8度,相电流为1。7安培，驱动电压为DC24V。

三相单三拍正向的时序图如3.1图所示

三相单三拍正向的时3。1

步进电机与步进电机驱动器的接线图如图所示

PLC与SH-2H042Ma步进电机驱动器相连时，采用共阳极方式连接,将CP+和DIR+接在一起作为共阳端OPTO。其接线方式图所示

根据上图所示的接线方式，以及输出分配时，对PLC控制步进电机CP端和DIR端分配的输出点，可画出PLC与步进电机驱动器之间的接线图，如图所示

根据上图所示的接线方式,以及输出分配时,对PLC控制步进电机CP端和DIR端分配的输出点，可画出PLC与步进电机驱动器之间的接线图，如图所示

PLC输出模块的24V直流电源见图所示：普通输入输出点的接线图如图所示

3。3实验：二相步进电机的转速与位置控制
一、实验目的
用PLC控制二相步进电机的位置和转速运行。

二、实验内容
1、控制要求
上电后“复位”灯闪烁,按“复位"按钮，气缸进行复位。此时“开始”按钮灯闪烁。按“开始”按钮后,步进电机开始驱动。进行刀具步进电机加工零件。

2、plc的I/O信号表：

Plc输入点
信号名称
Plc输出点
信号名称
I0.0

Q0.0
刀具步进电机驱动器PUL
I0.1

Q0。1
刀具步进电机驱动器DIR
I0.2
加工下限位传感器
Q0。2
加工转台电机
I0。3
加工上限位传感器
Q0.3
刀具一电机
I0.4
加工伸出限位传感器
Q0。4
刀具二电机
I0。5
加工缩回限位传感器
Q0。5
刀具三电机
I0。6

Q0。6
加工下降电磁阀
I0。7
上电按钮
Q0。7
辅助加工电磁阀
I1.0
开始按钮
Q1。0
开始灯
I1.1
复位按钮
Q1。1
复位灯
I1。2
调试按钮
Q2。0
检测下降电磁阀
I1。3
手动/自动
1L
+24V
I1.4
单机/联机
2L
+24V
I1.5
停止按钮
3L
+24V
I2。0

4L
+24V
I2.1

1M
GND
I2.2
刀具原位传感器
2M
GND
I2.3
刀具左限位开关

I2。4
刀具右限位开关

3。气动原理图:
4.网络连接图:
5.实验程序及梯形图:
Network 1
LD SM0。5
MOVW 500, VW100
EU
MOVD 3300， VD200
Network 2
LD I1.4
S Q0。1， 1
Network 3
LDN I1.4
R Q0.1, 1
Network 4
LD SM0.0
EU
LPS
A I1.0
MOVB 16＃85， SMB67
LRD
MOVW VW100， SMW68
LRD
MOVD VD200, SMD72
LPP
PLS 0
Network 5
LD I1。5
MOVB 16＃CB， SMB67
PLS 0
第四章 结束语
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。计算机通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。
本文构建了一个步进电机控制系统，系统的硬件组成主要有:s7-200plc,二相步进电机，气缸，传感器。该系统在分析目前步进电机特点基础上，确定步进电机功能要求。针对步进电机的功能要求，提出了控制系统的详细方案。在步进电机控制系统中,选用了s7-200plc作为控制工具，并对步进电机控制系统的端子分配，并给出了原理图。并对步进电机转速控制进行了设计。达到了转速的控制的要求，确定了键盘控制.论文设计符合步进电机控制系统的标准要求。经系统调试，可以实现步进电机的以下功能:正反转、加减速.
本系统控制灵活，简单方便，制作成本低。同时也有不足的地方:比如说转速控制的精度还不算十分精确，另外还应该加入转速的显示.