1、1常州机电职业技术学院毕业设计（论文）作 者： 林明治 学 号： 41021111 系 部： 电气工程系 专 业： 电机与电器 题 目： PLC 控制步进电机 指导者： 莫莉萍评阅者：22013 年 4 月 3毕 业 设 计 （ 论 文 ） 中 文 摘 要详细讨论步进电机的工作原理及其特性和基于 s7-300PLC 的控制技术，论述了步进电机的 PLC 控制系统的设计方案及其控制原理，PLC 简单易学,可靠性高。步进电机是一种常用的机电执行元件,可靠性高,成本低,实用性强,具有较高的通用性和应用推广价值。步进电动机突出的优点是它可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转
2、控制等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可靠，因此在众多领域有着极其广泛的应用。关键词：步进电机；S7-300PLC；PLC4毕 业 设 计 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title： PLC control of stepping motor Abstract：This paper introduces the principle and the control step motor and the motion control technology based onS7-300 PLC. Step motor is a common electro-mechanic actuat
3、or, and the related drive and control circuits influence its over and high power transistors, higher reliability, lower cost and more versatile, and it is worth to be promoted. The advantages of stepping motor are regulating-rate, quickly rise-stop, positive-reverse controlling and brake etc by chan
4、ging the frequency of pulse. The stepping motor opening-ring system is simple, cheap, stability and reliability, therefore its application is very extensive in many realmKey words : Step motor；S7-300PLC；PLC5目录1 绪 论 .61.1 设计的背景和意义 .61.2 步进电机的工作原理 .81.3 系统设计的目标 .92 步进电机的分类、基本结构 .102.1 步进电机的分类 .102.2 步
5、进电机的基本结构 .112.3 步进电机主要特点 .112.4 步进电机在工业控制领域的主要应用情况介绍 .122.5 西门子 PLC 对步进电机的控制方法 .122.6 PLC 直接控制步进电机 .132.7 步进电机动态指标及术语 .153 CPU 步进电机的选择.163.1 CPU 的选择 .163.2 三相反应式步进电机选择 .174 软件设计 .194.1 STEP7 概述 .194.2 STEP 7 的硬件接口 .194.3 STEP 7 的编程功能 .204.4 STEP 7 的硬件组态与诊断功能 .204.5 STEP7 项目的创建 .214.6 和本设计 S7300 相关指令
6、设计介绍 .254.7 程序介绍 .324.8 程序讲解 .34结论 .35致谢 .35参考文献 .3661 绪论近年来，数控机床及数控技术得到了飞速发展，在柔性、精确性、可靠性和宜人性等方面的功能越来越完善，已成为现代先进制造业的基础。 数控就是数字控制，数控技术在机床行业应用得多，就是依靠数字（电脑编程）来控制机床，具有效率高，精度高等主要特点。 数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908 年，穿孔的金属薄片互换式数据载
7、体问世；19 世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938 年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952 年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。 现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。 1.1 设计
8、的背景和意义步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机,传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电7动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机
9、推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在，步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。最典型的产品是二相 8 极 50 齿的电动机，步距角 1.80.9（全步半步）； 还有五相 10 极 50 齿和一些转子 100 齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。到目前，工业发达国家的磁阻式
10、步进电动机已极少见。步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI 和 MINEBEA 及 NPM 公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量，还是生产手段，都堪称是世界上最好的。现在日本步进电动机年产量（含国外独资公司）近 2 亿台 %德国也是世界上步进电动机生产大国。德国B.L.公司 1994 年五相混合式步进电动机专利期满后，推出了新的三相混合式步进电动机系列，为定子 6 极转子 50 齿结构，配套电流型驱动器，每转步数为200、400、1000、2000、4000、10000 和 20000，它具有通常的二相和五相步进电动机的分辨率，还可以在
11、此基础上再 10 细分，分辨率提高 10 倍，这是一种很好的方案，充分运用了电流型驱动技术的功能，让三相电动机同时具有二相和五相电动机的性能。与此同时，日本伺服公司也推出了他们的三相混合式步进电动机。该公司阪正文博士研制了三种不同的永磁式三相步进电动机，即 HB型（混合式）、RM 性（定子和混合式相似，转子则同永磁式环形磁铁相似）和爪极 PM 型。将三相步进电动机同二相步进电动机进行比较后显示： 1）在获得小步距角方面，三相电动机比二相电动机要好。 2）S 三相电动机的两相励磁最大保持力矩为 3T1（T1 为单相励磁转矩），而二相电动机为 2T1，所以三相电动机的合成力矩大。3)三相电动机的转
12、矩波动比二相电动机要小。4)三相电动机连续 2 步用于半步的转矩差比二相电动机的要小。 85)三相电动机绕组可以星形连接，三个终端驱动，励磁电路晶体管 6 个； 而二相电动机是 8 个。6)连续运转时，由于三相步进电动机结构原因，磁通和电流的三次谐波被消除了，所以三相电动机的振动力矩比二相电动机的要小. 结论是显而易见的。另外的结论是 HB 型电动机更适合于低速大转矩用途；RM 型适用于平稳运行以及转速大于 1000R/MIN 的用途；而 PM 型成本低，在低转速时的振动和高转速时的大转矩方面，三相 PM 型电动机比两相电动机的性能要好。因此，当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电
13、动机又向以下四个方向发展：发展趋势一， 随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在 57、42 机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向 39、35、30、25 方向向下延伸。瑞士 ESCAP 公司最近还研制出外径仅 10MM 的步进电动机。发展趋势之二，是改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高 3040发展趋势之三，对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，
14、因而具有更加优越的控制性能。发展趋势之四，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。我国的情况有所不同，直到 20 世纪 80 年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是 80 年代后期才开始发展，至今仍然是二种结构类型同时并存。尽管新的混合式步进电动机完全可能替代磁阻式电动机，但磁阻式电动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动机的步距角（0.9/1.8）与典型的磁
15、阻式电动机的步距角（0.75/1.5）不一样，用户改变这种产品结构不是很容易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短时间内改变。这种现状对步进电动机的发展是不9利的。1.2 步进电机工作原理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。总结来说, 步进电机主要具有以下一些工作特性:(1)
16、输入脉冲数严格的和电机的角位移成正比, 电机运转一周后没有积累误差, 因此具有良好的跟随特性;(2) 由于其良好的跟随特性, 步进电机可以与驱动器电路组成开环数字控制系统, 同时, 也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统。(3) 步进电机的动态响应快, 易于启动和停止、正反转和变速。(4) 速度可以在相当宽的范围内平滑调节; 在低速动作状态下仍能保证获得大的转矩1.3 系统设计的目标本设计是采用是 S7300 控制三相六拍的反应步式步进电机，通过软件设计移位脉冲频率来控制步进电机的慢速、中速、快速。移位寄存器指令 MW0 的低八位按照三相六拍的步进顺序进行赋值来控制步进动机的正反转。
17、步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其速度与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点, 已成为运动控制领域的主要执行元件之一。步进电
18、机是机电一体化的关键产品, 广10泛应用在各种自动化控制系统和机电一体化设备中。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, 在各个行业的控制领域都将有广泛应用。而现在的可编程控制(Programmable Logic Controller, 通常称 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
19、。利用 PLC 控制步进电机, 其脉冲分配可以由软件实现, 也可由硬件组成。 2 步进电机的分类、基本结构2.1 步进电机的分类（1）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。（3）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。三相反应式步进电机的结构如图所示。 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 相。三相反应式步进电机的结构图
