1、哈尔滨理工大学学士学位论文- I -基于 PLC步进电机控制系统摘要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，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。步进电机是将电脉冲信号变换成机械角位移的一种装置，每个脉冲使转轴步进一个步距角增量，输出角位移与输入脉冲数成正比，转速与输入脉冲成正比，转速与输入脉冲频率成正比。步进电机的控制方式简单，属于开环控制，且无累积定位误差，有较高的定位精度，而 PLC 作为一种工业控制微机，是实现电机一体
2、化的有力工具，因此基于 PLC 的步进电机控制技术已广泛用于数字定位控制中。本控制系统的设计，由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计主要包括步进电机的工作原理、步进电机的驱动电路设计、PLC 的输入输出特性、PLC 的外围电路设计以及 PLC 与步进电机的连接与匹配等问题的实现。软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。关键词 ：步进电机、PLC、转速控制、方向控制哈尔滨理工大学学士学位论文- II -Stepping motor control system based on PLCAbstractW
3、ith the development of microelectronics and computer technology, the stepper motor is increasing demanded, which is widely used in printers, electric toys and other consumer products, and CNC machine tools, industrial robots, medical equipment and other electrical machinery products, and is applied
4、in the national economy in various fields. Researching of stepper motor control system to improve the control accuracy and response speed, energy conservation is so important.Stepper motor is a device which will transform electrical pulses into mechanical angular displacement so that Shaft of each p
5、ulse to a step angle stepping increment, SO output angular displacement is proportional to the input pulses, speed is proportional to the input pulse speed and speed is proportional to input pulse frequency. Stepper motor control is simple, is open-loop control, and no accumulation of positioning er
6、ror, a high positioning accuracy,and the PLC as an industrial control computer, is a powerful tool for the integration of the motor, Therefore, the stepper motor control based on PLC technology has been widely used for digital positioning control.The control system consists of hardware and software
7、design of two parts. Among them, the hardware design includes the working principle of stepper motor, stepper motor drive circuit design, PLC input and output characteristics, PLC and PLC external circuit connection with the stepper motor and matching Problem. Software design, including the main pro
8、gram and each module of the control program, ultimately realizes on the stepper motor rotation direction and rotation speed control This system has the intelligence, practicality and reliability features.Keywords ： Stepper motor, PLC, speed control, direction control哈尔滨理工大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstra
9、ct.II基于 PLC步进电机控制系统 .I第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 问题的提出 .21.3 设计目的及系统功能 .2第 2 章 PLC 及步进电机的概述 .42.1 PLC 的 基 本 概 念 .42.2 PLC 的基本结构 .42.3 PLC 的特点 .52.4 步进电机的特性 .72.5 步进电机的种类 .72.6 反应式步进电机的控制 .82.7 本设计所用步进电机 .12第 3 章 硬件电路设计 .143.1 硬件设计思路 .143.2 总设计图框 .143.3 外围电路设计及分析 .153.4 LED 数码显示器电路 .233.5 步进电机控制系统电路图
10、.25第 4 章 软件的设计 .274.1 可编程序控制器的工作原理 .274.2 存储空间的计算 .28第 5 章 PLC 控 制 程 序 设 计 .295.1 PLC 提供的编程语言 .295.2 PLC 实用驱动电源控制环节 .31结论 .35致谢 .37参考文献 .38附录 .39哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产还是在日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。因此对电动机的控制变得越来越重要了。电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感
11、器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术化。步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，其原理是通过对它每相线圈中的电流和顺序切换来使电机作步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。通俗地说: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(及步进角) 。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时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，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
12、(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 7.50;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 1.50，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优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为 1.8“而五相步进角一般为 0.720。这种步进电机的应用最为广泛。哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -1.2 问题的提出二十一世纪的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。步进电机是最常见的一种控制电机，在各领域中得到广泛应用
13、。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。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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响
14、、误差不会长期积累的特点，给实际的应用带来了很大的方便。它广泛用于消费类产品（打印机、照相机） 、工业控制（数控机床、工业机器人） 、医疗器械等机电产品中。研究步进电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。为此，本文设计了一个基于 PLC 的步进电机控制系统，可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。1.3 设计目的及系统功能设计的目的是以单片机为核心设计出一个步进电机控制系统。本系统采用 FX2N 系列 PLC 作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在 LED 数码管上。通过本课题，一方面我们在查阅
15、资料的基础上，了解 FX2N 系列 PLC控制的一些基本技术，掌握其控制系统的分析方法与实现方法,能对 PLC哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -外围电路设计进行系统学习与掌握；另一方面，通过设计步进电机控制系统的硬件电路，控制程序和相应的电路图，以此培养自己的自学和动手能力，从而为今后参加工作或进一步深造打下良好的基础。设计的步进电机控制系统有以下功能：1. 步进电机的启停控制2步进电机的正反转控制3. 步进电机的加速控制4. 步进电机的减速控制5. 步进电机通电方式改变的控制哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -第 2 章 PLC 及步进电机的概述2.1 PLC 的 基 本 概 念可 编 程
16、 控 制 器 (Programmable Controller)是 计 算 机 家 族 中 的 一 员 ，是 为 工 业 控 制 应 用 而 设 计 制 造 的 。 早 期 的 可 编 程 控 制 器 称 作 可 编 程 逻 辑控 制 器 (Programmable Logic Controller)， 简 称 PLC， 它 主 要 用 来 代替 继 电 器 实 现 逻 辑 控 制 。 随 着 技 术 的 发 展 ， 这 种 装 置 的 功 能 已 经 大 大 超过 了 逻 辑 控 制 的 范 围 ， 因 此 ， 今 天 这 种 装 置 称 作 可 编 程 控 制 器 ， 简 称PC。 但 是
17、 为 了 避 免 与 个 人 计 算 机 (Personal Computer)的 简 称 混 淆 ， 所以 将 可 编 程 控 制 器 简 称 PLC。 PLC 即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC做了如下定义：“PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的
18、指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 ”2.2 PLC的基本结构PLC 实 质 是 一 种 专 用 于 工 业 控 制 的 计 算 机 ， 其 硬 件 结 构 基 本 上 与 微 型 计算 机 相 同 ， 如 图 所 示 ： a. 中 央 处 理 单 元 (CPU) 哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -中 央 处 理 单 元 (CPU)是 PLC 的 控 制 中 枢 。 它 按 照 PLC 系 统 程 序 赋 予的 功 能 接 收 并 存 储 从 编 程 器 键 入
19、 的 用 户 程 序 和 数 据 ； 检 查 电 源 、 存 储 器 、I/O 以 及 警 戒 定 时 器 的 状 态 ， 并 能 诊 断 用 户 程 序 中 的 语 法 错 误 。 当PLC 投 入 运 行 时 ， 首 先 它 以 扫 描 的 方 式 接 收 现 场 各 输 入 装 置 的 状 态 和 数据 ， 并 分 别 存 入 I/O 映 象 区 ， 然 后 从 用 户 程 序 存 储 器 中 逐 条 读 取 用 户 程序 ， 经 过 命 令 解 释 后 按 指 令 的 规 定 执 行 逻 辑 或 算 数 运 算 的 结 果 送 入I/O 映 象 区 或 数 据 寄 存 器 内 。 等
20、所 有 的 用 户 程 序 执 行 完 毕 之 后 ， 最 后 将I/O 映 象 区 的 各 输 出 状 态 或 输 出 寄 存 器 内 的 数 据 传 送 到 相 应 的 输 出 装 置 ，如 此 循 环 运 行 ， 直 到 停 止 运 行 。 为 了 进 一 步 提 高 PLC 的 可 靠 性 ， 近 年 来 对 大 型 PLC 还 采 用 双 CPU构 成 冗 余 系 统 ， 或 采 用 三 CPU 的 表 决 式 系 统 。 这 样 ， 即 使 某 个 CPU 出现 故 障 ， 整 个 系 统 仍 能 正 常 运 行 。 b、 存 储 器 存 放 系 统 软 件 的 存 储 器 称 为
21、 系 统 程 序 存 储 器 。 存 放 应 用 软 件 的 存 储 器 称 为 用 户 程 序 存 储 器 。 C、 电 源 PLC 的 电 源 在 整 个 系 统 中 起 着 十 分 重 要 的 作 用 。 如 果 没 有 一 个良 好 的 、 可 靠 的 电 源 系 统 是 无 法 正 常 工 作 的 ， 因 此 PLC 的 制 造 商 对 电源 的 设 计 和 制 造 也 十 分 重 视 。 一 般 交 流 电 压 波 动 在 +10%(+15%)范 围 内 ，可 以 不 采 取 其 它 措 施 而 将 PLC 直 接 连 接 到 交 流 电 网 上 去 。2.3 PLC的特点(1)高
22、可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU 的 PLC的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少哈尔滨理工大学学士学位论文- 6 -到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中
23、除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 配套齐全，功能完善，适用性强PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容
24、易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 体积小，重量轻，能耗低哈尔滨理工大学学士学位论文- 7 -以超小型 PLC 为例，新近出产的品种
25、底部尺寸小于 100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.4 步进电机的特性步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理的数据类型。从 20 世纪 80 年代开始开发出了专用的 IC 驱动电路，今天，在打印机、磁盘器等的 OA 装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的组成部分之一。总体上说，步进电机有如下优点： 不需要反馈，控制简单。2与微机的连接、速度控制（启动、停止和反转）及驱动电路的设计比较简单。3没有角累积误差。4停止时也可保持转距。5没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。6即使没有传感器，也能精确定位。7根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。但是，这种电机也有自身的缺点。8难以获得较大的转矩9、不宜用作高速转动10在体积重量方面没有优势，能源利用率低。11超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。2.5 步进电机的种类目前常用的步进电机有三类：1、反应式步进电动机（VR） 。采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步
