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1、毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书一、题目及专题：一、题目及专题：1、题目 基于 S7-200PLC 步进电机调速控制 步进驱动控制系统设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据本课题是设计基于 S7-200PLC 步进电机调速控制。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。随着计算机技术的发展，可编程逻辑控制器的功能不断扩展和完善，其功能远远超出了逻辑控制的范围，具有

2、了PID、A/D、D/A、算术运算、数字量智能控制、监控、通信联网等多方面的功能，它已变成了实际意义上的一种工业控制计算机。PLC 作为简单化的计算机，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，在全世界广泛应用，为生产生活带来巨大效益方便。三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求：1、掌握步进电机的原理及其驱动方法。2、掌握西门子 S7-200 PLC 的原理与程序设计方法。3、掌握步进电机的电气控制试验系统的工作原理。4、基于该系统设计 S7-200 PLC 程序。四、接受任务学生：四、接

3、受任务学生： 机械 93 班班 姓名姓名 肖 超 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期：自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师指导教师签名签名 签名签名 签名签名教教研研室室主主任任学科组组长研究所学科组组长研究所所长所长签名签名 系主任系主任 签名签名2012 年年 11 月月 12 日日摘摘 要要步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点,所以常用作工业过程控制及仪器仪表，使用 PLC 可编程控制器实现步进电动机驱动，可使步进电动机的抗干扰能力强，可靠性高，同时，由

4、于实现了模块化结构，是系统结构十分灵活，而且编程语言简短易学，便于掌握，可以进行在线修改，柔性好，体积小，维修方便。本设计是利用 PLC 做进电动机的控制核心，用按钮开关的通断来实现对步进电机正,反转控制，而且正，反转切换无须经过停车步骤。其次可以通过对按钮的控制来实现对高，低速度的控制。充分发挥 PLC 的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计 PLC 控制系统的首要前提，这也是设计最重要的一条原则。本设计更加便于实现对步进电机的制动化控制。其主要内容如下：1 了解 PLC 控制步进电机的工作原理2 掌握 PLC 的硬件构成，完成硬件选型3 设计 PLC 的控制系统4 用 STEP

PLC 控制步进电机工作方式的选择.83.1 常见的步进电机的工作方式.83.2 步进电机控制原理.83.2.1 控制步进电机换向顺序.83.2.2 控制步进电机的转向.83.2.3 控制步进电机的速度.83.3 PL

基于步进电动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、喷绘机、工业控制系统、自动控制计算装置、自动记录仪表等自动控制领域。随着计算机技术的发展，可编程逻辑控制器的功能不断扩展和完善，其功能远远超出了逻辑控制的范

13、围，具有了 A/D、PID、D/A、算术运算、数字量智能控制、通信联网、监控等多方面的功能，它已变成了实际意义上的一种工业控制计算机。PLC 作为简单化的计算机，以其可靠性高、通用性强、编程简单易学、指令系统简单、体积小、维修工作少、现场接口安装方便、易于掌握等优点，在全世界广泛应用，为生产生活带来巨大效益方便。PLC 控制的步进电机系统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 7090%，而且只占用自动线控制单元 PLC 1KB 的内存及 35 个 I/O 接口。特别是在大型自动线中可以使控制系统的成本明显下降。因此，通过研究用 PLC 来控

14、制步进电动机的，既可实现精确定位控制，又能降低控制成本，还有便于维护。1.2 国内外国内外PLC的发展的发展 PLC 又称可编程序控制器 PC，是微机技术与继电器常规控制技术相接合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机1。PLC 是在 20 世纪 60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、计数和算术运算、顺序控制等操作指令，并通过模拟的、数字的输入和输出，控生产过程或各种类型的机械。可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设

15、计的。PLC 自产生至今只有 30 多年的历史，却得到了广泛应用和迅速发展，成为当代工业自动化的主要支柱之一。发展过程和产生，现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应，生产出小批量、多规格、多品种、高质量和低成本的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻找一种新的控制装置去取代它。自 1969 年针对工业自动控制的需求和特点而开发的第一台 PLC 问世以来，迄今已经30 多年了，它的发展虽然包含了前期控制技术的演变和继承，但又不同于通用的微机控制装置和顺序控制器。它不仅充分利用了微处理器的优点来满足各种领域的控制需求，同时也照顾到现场操作技术人员的技能和习惯，摈弃了微机

16、常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的模块化的软件结构和形象编程语言，使用户程序的编制方便易学、清晰直观，查错和调试都很容易。用户使用 PLC 只需按说明书提示，做少量的安装接线和用户程序的编制工作，就可方便而灵活地将 PLC 应用于生产实践。而用户程序的编制、调试和修改不需要具有专门的计算机编程语言知识。这样就更加便于使用和修改，推动了计算机技术的普遍应用。可编程序控制器 PLC 在现代工业自动化控制中是最值得重视的先进控制技术。PLC 现已成为现代工业控制三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）之一，以其可靠性、体积小、逻辑功能强、在线修改控制程序、

17、远程通信联网功能、对模拟量进行控制、易于与计算机接口、具有位控等高性能模块与告诉计数等优异性能，日益取代由大量时间继电器、中间继电器、计数继电器等组成的传统继电器。PLC 自问世以来，经过 40 多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。产量产值大幅上升但价格却不断的下降。目前，世界上有 200 多个厂家生产 PLC，比较有名的：美国：莫迪康公司、AB 通用电气；日本：富士、三菱、松下电工、欧姆龙；法国：TE 施耐德公司；德国：西门子公司；韩国：LG、三星公司等。我国的 PLC 产品的研制和生产经历了三个阶段：顺序控制器（

18、）一位处理器为主的工业控制器（）8 位微处理器为主的可编程序控制器（1985 以后）。在对外开放政策的推动下，国外 PLC 产品大量进入我国市场，一部分随成套设备进口。如宝钢一、二期工程就引进了 500 多套，还有秦皇岛煤码头、汽车厂、咸阳显像管厂等。现在，PLC 在国内的各行各业也有了极大的应用，技术含量也越来越高。1.3 国内外步进电机的发展概况国内外步进电机的发展概况步进电动机已成为除交流电动机和直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

19、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，其中都有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机2。步进电动机的发展与计算机工业有着密切关系。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，使设备的性能显著提高，很快地促进了步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又把作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如小功率机械加工机床、电加工机床、光学、测量仪器、和包装机械以及医疗仪器等。任何一种产品成型的过程，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爪极结构

20、的永磁式、单段式结构的磁阻式和混合式三类。爪极永磁式电机价格便宜，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，还有二相八极 50 齿的电动机，步距角 1.80.9（全步半步）。到目前，工业发达国家的磁阻式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、SANYO、东方公司、 DENKI、NPM 及 MINEBEA 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

21、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，在此基础上再 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备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

22、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（磁阻式）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得出： （1）在获得小步距角方面，三相电动机比二相电动机要好。 （2）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）三相电动机连续 2 步用于半步的转矩差比二相电动机的要小。（4）三相电动机的转矩波动比二相电动机要小。（5）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

23、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。另外的结论是混合式型电动机更适合于低速大转矩用途；磁阻式型适用于平稳运行以及转速大于 1000r/min 的用途；而爪极型成本低，在高转速时的大转矩和低转速时的振动方面，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3。我国步进电机的研究及制造起始于本世纪 50 年代后期。从 50 年代后期到 60 年代后期，主要是科研机构和高等院校为研究一些装置而开发或使用少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电机为主。70 年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器

24、设计方面的长足进步外，对反应式步进电机本体的设计研究发展到一个较高水平。70 年代中期至 80 年年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发。自80 年代中期以来，由于对步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电机及驱动器作为产品广泛利用。经过多年的发展，我国步进电机形成一种品种规格繁多的局面，其中最主要的产品系列，一是 70 年代形成的磁阻式步进电动机系列产品在低端应用仍有较多的市场，继续生产；二是混合式步进电机的系列产品，包括生产设备和引进技术，按照国外的设计生产的二相和五相混合式步进电机，以及国内自行开发生产的混合式步进电动机，仍然拥有各自不同的应用领域，短期内很难统一到

25、几个限定的规格品种上。这种现状对步进电动机的发展是不利的4。1.4 PLC步进驱动控制系统步进驱动控制系统主要研究工作主要研究工作掌握步进电机的原理及其驱动方法，掌握西门子 S7-200 PLC 的原理与程序设计方法。掌握步进电机的电气控制试验系统的工作原理，基于该系统设计 S7-200 PLC 程序，实现PLC 对步进电机的调速控制。主要研究工作如下：（1）了解 PLC 控制步进电机的工作原理（2）掌握 PLC 的硬件构成，完成硬件选型（3）设计 PLC 的控制系统（4）用 STEP 7 完成 PLC 的编程2 步进电机及步进电机及 PLC 简介简介2.1 步进电机简介步进电机简介步进电机是

26、一种将电脉冲信号转变为线位移或角位移的执行元件。在经历了一个大的发展阶段后，目前其发展趋于平缓。然而，由于电动机的工作原理和其它电动机有很大的差别，具有其它电动机所没有的特性。因此，沿着小型、高效、低价的方向发展。步进电动机由此而得名。步进电动机的运行是在专用的脉冲电源供电下进行的，其转子的角位移量，或者说转子走过的步数，与输入脉冲数成正比。步进电动机动态响应快，控制性能好，只需改变输入脉冲的顺序，就能方便地改变其转向。另外，可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的加速度和速度，从而达到调节速度的目的。这些特点使得步进电动机与其它电动机有很大的差别。由上述步进电动机的特点，使得由它和驱动控制器组成

27、的开环数控系统，既具有较良好的控制性能，高的控制精度，又能可靠稳定地工作。因此，在数字控制系统刚出现时，步进电动机经历过一个巨大的发展阶段5。2.1.1 步进电机的分类步进电机的分类按其工作方式分为功率式和伺服式：功率式输出转矩较大，能直接带动较大的负载；伺服式输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。按结构分为单段式（径向式） 、多段式（轴向式） 、印刷绕组式。按使用频率分为高频步进电动机和低频步进电动机。按运动方式：旋转运动、直线运动、平面运动和滚切运动。按工作原理：反应式（磁阻式） 、永磁式、永磁感应子式（混合式） 。反应式：定子上有转子、绕组由软磁材料组成。

28、步距角小，成本低、结构简单、但效率低、动态性能差、发热大，可靠性难以保证。 永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，定子的极数与转子的极数相同。其特点是输出力矩大、动态性能好，但是电机精度差，步矩角大（一般为 7.5或 15） 。 混合式：混合式步进电机综合了永磁式和反应式的优点，其定子上有转子、多相绕组上采用永磁材料，转子和定子上都有多数小齿以提高步矩精度。其特点是步距角小、输出力矩大、动态性能好，但成本相对较高、结构复杂。 按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占 97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本

29、步距角为 1.8/步，配上半步驱动器后，步距角减少为 0.9，配上细分驱动器后其步距角可细分达 256 倍（0.007/微步） 。由于制造摩擦力和精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果 6。2.1.2 步进电机的基本参数步进电机的基本参数（1）电机固有步距角 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机生产时给出了一个步距角，这个步距角可称之为“电机固有步距角” ，它不一定是实际工作时的真正步距角，真正步距角与驱动器有关。（2）保持转矩 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

30、速运行时的力矩接近保持转矩。因为步进电机的输出力矩是随着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。例如，当人们说 4Nm 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 4Nm 的步进电机。 （3） 钳制转矩 钳制转矩是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有钳制转矩。（4）步进电机的相数 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。步进电机的相数不同，其步距角也会不同，一般二相电机的步距角为 0.9/1.8、三相的为 0.75/1.5、五

31、相的为 0.36/0.72 。在没有细分驱动器时，主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的需求。如果使用细分驱动器，则步进电机的相数就变得毫无意义，用户只要在驱动器上更改细分数，就可以改变步距角7。2.1.3 步进电机的特点步进电机的特点 步进电机的特点如下：（1）步进电机没有积累误差：一般步进电机的精度为实际步距角的百分之三到五，且不累积，具有良好的跟随性。（2）电动机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比；转向与通电相序有关。当它转动一周后，没有累积误差，具有良好的跟随性。（3）由驱动电路与步进电动机组成的开环数控系统，既非常非常可靠、廉价又简单。同时，它也能与角度反

32、馈环节组成高性能的闭环数控系统。（4）步进电动机的动态响应快，易于起停、正转、反转及变速。（5）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩。（6）步进电机转速不受负载大小的影响，不像普通电机，当负载加大时就会出现速度下降的情况，所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合。（7）步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。（8）步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。（9）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源以及直流电源8。2.2 步进电机在工业中的应用步进电机在工业中的应用步进电机作为执行元件，是机电一体化的关

33、键产品之一，由于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。步进电机具有较好的控制性能，其启动、停止、正转、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成，通过控制脉冲数可以很方便的控制步进电机转过的角位移，且步进电机的误差不累积，能够达到准确定位的目的。还可以通过控制频率改变步进电机的加速度和转速，达到任意调速的目的，因此步进电机可以广泛的应用于各种不同的系统领域中。步进电机具有明显的优势超过其他电动机，这些优势与精密控制有关，以及其相对较低的成本，步进电机有许多高科技技术应用在程序上，例如机械手臂、磁盘驱

34、动器、打印机、录像机、机器人和遥控车等。另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中。2.3 PLC的特点的特点（1）通用性强，使用方便。由于 PLC 产品的模块化和系列化，PLC 配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。当控制对象的硬件配置确定以后就可通过修改用户程序，快速方便地适应工艺条件的种种变化。（2）功能性强，适用面广。现代 PLC 不仅具有计时、计数、逻辑运算、顺序控制等功能，而且还具有 D/A 和 A/D 转换、数据处理、数值运算等功能。 因此，它既可对模拟量进行控制，也可对开关量进行控制，既可控制 1 条生产线、1 台生产机械，也可控制 1个生产过程。PLC 还具有通讯联络功能

35、，可与上位计算机构成分布式控制系统，实现遥控功能。（3）可靠性高，抗干扰能力强。绝大多数用户都把可靠性作为选择控制装置的前提条件。针对 PLC 是专为在工业环境下应用而设计的，故采取了一系列软件和硬件抗干扰措施。硬件方面，隔离是抗干扰的主要措施之一。PLC 的输入、 输出电路一般用光电耦合器来传递信号，使外部电路与 CPU 之间无电路联系， 有效地抑制了外部干扰源对PLC 的影响，同时，还可防止外部高电压窜入 CPU 模块。滤波是抗干扰的另一主要措施，在 PLC 的 I/O 模块和电源电路中， 设置了多种滤波电路，对高频干扰信号有很好的抑制作用。软件方面，设置故障检测与诊断程序。釆用以上抗干扰

36、措施后，一般 PLC 无故障平均时间可达到 4 万5 万小时。（4）编程方法简单，容易掌握。PLC 配备有易于掌握和接受的梯形图语言。 该语言编程表达方式和元件的符号与继电器控制电路原理图相当接近。（5）控制系统的设计、安装、调试和维修方便。PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的计数器等部件、时间继电器、中间继电器，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC 的用户程序大都可以在实验室模拟调试，调试好后再将 PLC 控制系统安装到生产现场，进行联机统调。在维修方面，PLC 的故障率很低，且有完善的诊断和实现功能，一旦 PLC 外部的输入装置和执行机构发生故障，就可根据 PLC 上发光

37、二极管或编程器上提供的信息，快速查明原因。若是 PLC 本身问题，则可更换模块，快速排除故障，维修极为方便。（6）质量小、体积小、功耗低，由于 PLC 是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品，因而结构紧凑，坚固，体积小，质量小，功耗低，而且具有很好的抗震性和适应环境温度、湿度变化的能力。因此，PLC 很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化较理想的控制设备9。PLC 控制系统既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠地工作。2.4 PLC技术在步进电机控制中的应用技术在步进电机控制中的应用随计算着微电子技术发展，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

38、的范围。继续沿着小型化的方向发展。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。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，因而具有更加优越的控制性。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10。目前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，

39、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。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，每当对其施加一个电脉冲时，其输出轴便转过一个固定的角度。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速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。所以只要控制指令脉冲的频率、数量及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的速度、输出位移量和转向。PLC 直接控制步进电机系统由PLC 和步进电机组成，PLC 具有实时

40、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。并且，PLC 有采用大功率晶体管的输出端口，能够满足步进电机各相绕组数 10V 级脉冲电压、1A 级脉冲电流的驱动要求。3 PLC 控制步进电机工作方式的选择控制步进电机工作方式的选择3.1 常见的步进电机的工作方式常见的步进电机的工作方式常见的步进电机的工作方式有以下三种：1.三相单三拍：ABCA图 3.1 三相单三拍工作方式时序图2.三相双三拍：AB BC CA AB图 3.2 三相双三拍工作方式时序图3.三相六拍：AABBBCCCA A图 3.3 三相六拍

41、工作方式时序图3.2 步进电机控制原理步进电机控制原理3.2.1 控制步进电机换向顺序控制步进电机换向顺序通电换向这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三相三拍工作方式，其各相通电顺序为 ABCA，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D 相的通断。3.2.2 控制步进电机的转向控制步进电机的转向如果给定工作方式正序通电换相，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 3.2.3 控制步进电机的速度控制步进电机的速度每次给步进电机发一个控制脉冲，它就转动一步。两个脉冲的间隔时间越短，步进电机就转动得越快。调节发出的脉冲频率，就能对步进电机进行调速控制。 3.3 PLCP

42、LC控制步进电机的方法控制步进电机的方法在本设计中使用 PLC 控制步进电机，可使用 PLC 产生控制步进电机所需要的各种时序的脉冲。三相步进电机可采用三种工作方式：三相单三拍，三相双三拍，三相单六拍。这三种方式的主要区别是:电机绕组的通电、放电时间不同。工作方式是单三拍时通电时间最短，双三拍时允许放电时间最短，六拍时通电时间和放电时间最长。因此，同一脉冲频率时，六拍的工作方式出力最大。而且，电机是三拍的工作方式时，其分辨率为 3度，六拍的工作方式时，分辨率是 1.5 度。所以，在本课题中，我们采用三相六拍的工作方式，在这种控制方式下工作，步进电机的运行特性好，步进电机分辨率最高。三相六拍步进

43、电机是一典型径向分相、单定子、反应式伺服电机。其结构原理图与普通电机一样, 分为转子和定子两个部分, 其中定子又可分为定子绕组和定子铁芯。定子铁芯由电工钢片叠压而成。定子绕组绕制在定子铁芯上, 六个均匀分布齿上的线圈, 在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起, 构成一相控制绕组。三相步进电机可构成三相控制绕组, 若任一相绕组通电, 便形成一组定子磁极。在定子的每个磁极上, 即定子铁芯上的每个齿上开了五个小齿, 齿槽等宽, 齿间夹角为 9, 转子上没有绕组, 只有均匀分布的个 40 小齿, 齿槽也是等宽的, 齿间夹角也是, 与磁极上的小齿一致。此外, 三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开

44、 13 齿距,。当 A 相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时, B 相磁极上的齿刚好超前或滞后转子齿轮 13 齿距角, C 相磁极齿超前或滞后转子齿 23 齿距角。三相六拍步进电机的工作原理：当 A 相绕组通电时, 转子的齿与定子 AA 上的齿对齐。若 A 相断电, B 相通电, 由于磁力的作用, 转子的齿与定子 BB 上的齿对齐, 转子沿顺时针方向转过 3, 如果控制线路不停地按 ABCA 的循环顺序控制步进电机绕组的通电、断电, 步进电机的转子便不停地顺时针转动, 这是三相三拍工作原理。而当 AB 同时通电时, 由于两个磁力的作用, 定子绕组的通电状态每改变一次, 转子转过 1.5，原理与三

45、相三拍相同,从而形成三相六拍, 其通电顺序为：正转 AABBBCCCA A反转 AACCCBBBA A可根据步进电机的工作方式，以及所要求的频率（步进电机的速度） ，画出A、B、C 各相的时序图。并使用 PLC 产生各种时序的脉冲。例如：本设计采用西门子S7-200PLC 控制三相步进电机的过程。图 3.4 三相单六拍正向时序图3.4 PLC控制步进电机的设计思路控制步进电机的设计思路典型的步进电机控制系统如图 3.5 所示：图 3.5 典型的步进电机控制系统步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成线位移或者角位移的数模转换元件。在经历了一个大的发展阶段后，日前其发展趋向平缓。然而，其基本原理是不

46、变的，即：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，每当对其施加一个电脉冲时，其输出转过一个固定的角度。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的脉冲顺序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的顺序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，可简单地定义为，根据输人的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机:从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控

47、制脉冲频率同步的同步电动机。步进电机的控制和驱动方法很多，按照使用的控制装置来分可以分为:普通集成工业控制机控制电路控制、 、可编程控制器控制、单片机控制等几种；按照控制结构可分为:硬脉冲生成器硬脉冲分配结构(硬-硬结构)、软脉冲生成器软脉冲分配器结构(软-软结构)、软脉冲生成器硬脉冲分配器结构(软-硬结构) 11。（1）硬硬结构 如图 3.6 所示，这种步进电机的控制驱动系统由硬件电路脉冲生成器、硬件电路脉冲分配器、驱动器组成。这种控制驱动方式运行速度比较快，但是功能单一，电路复杂。（2）软软结构如图 3.7 所示，这种步进电机的控制驱动系统由软件程序脉冲生成器、软件程序脉冲分配器、驱动器组

48、成，而软件脉冲生成器和脉冲分配器都有微处理器或微控制器通过编程实现。用工业控制机、单片机、可编程序控制器控制步进电机、普通个人计算机一般均可采用这种结构。这种控制驱动方法电路结构简单、可以实现复杂的功能，但是占用CPU 时间多，给微处理器运行其他工作造成困难。（3）软硬结构如图 3.8 所示，这种步进电机的控制驱动系统由软件脉冲生成器、硬件脉冲分配器和硬件驱动器组成。硬件脉冲分配器是通过脉冲分配器芯片来实现通电换相控制的。这种控制驱动方法电路结构简单、可以实现复杂的功能，同时占用 CPU 时间较少，用可编程控制器全部实现了驱动器和控制器的功能。在 PLC 中，由软件代替了脉冲生成器和脉冲分配器

49、，直接对步进电机进行并行控制，并且由 PLC 输出端口直接驱动步进电机。如图3.7 所示，这是一种软-软结构，脉冲生成器和脉冲分配器均有可编程序控制器程序实现。图 3.6 硬硬结构控制图 3.7 软软结构控制图 3.8 软硬结构控制4 S7-200PLC 控制步进电机硬件设计控制步进电机硬件设计步进电机的控制和驱动方法很多，按照使用的控制装置来分可以分为:普通集成电路控制、单片机控制、工业控制机控制、可编程控制器控制等几种12。本设计选用西门子 S7-200 PLC 通过控制驱动器来控制步进电机。4.1 S7-200PLC的介绍的介绍S7-200PLC 是德国西门子公司生产的一种小型整体式 P

50、LC，其许多功能可达到大、中型 PLC 的水平，而价格却与小型 PLC 的一样，因此，它一经推出，就受到了广泛的关注。在 2000 年以前，西门子在中国市场的 PLC 产品主要是大中型 PLC，日本的小型PLC 占据了中国大部分的市场份额。在 S7-200PLC 推出后，这种情况得到了明显的改善，最近几年来的小型 PLC 市场上 S7-200PLC 成为了主流产品。西门子最早的小型 PLC 产品是在上世纪末推出的 S7-200CPU21*系列的 PLC，但很快就被 CPY22*系列的产品所取代了。由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成

51、PLC 网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。现在最新版的 S7-200PLC 系列 PLC 是在 2004 年推出的，它的主要特点是：较高的可靠性、丰富的指令集、丰富的内置集成功能、实时特性强和强大的通信能力13。从 CPU 模块的功能来看，SIMATIC S7-200 系列小型 PLC 发展至今，大致经历了两代：第一代产品，其 CPU 模块为 CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同配置的 CPU单元：CPU 212，CPU 214，CPU 215 和 CPU 216，本书不介绍该产品。第二代产品，其C

52、PU 模块为 CPU 22X，主机都可进行扩展，它具有五种不同配置的 CPU 单元：CPU 221，CPU 222，CPU 224 和 CPU 226 和 CPU226XM，除 CPU 221 之外，其它都可加扩展模块，是目前小型 PLC 的主流产品。本书将介绍 CPU22X 系列产品。对于每个型号，西门子厂家都提供有产品货号，根据产品货号可以购买到指定类型的 PLC。CPU 22X 系列具有不同的技术性能，使用于不同要求的控制系统：CPU 221：用户程序和数据存储容量较小，有一定的高速计数处理能力，适合用于点数少的控制系统。CPU222：和 CPU221 相比，它可以进行一定模拟量的控制，

53、可以连接 2 个扩展模块，应用更为广泛。CPU224：和前两者相比，存储容量扩大了一倍，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，使用很普遍。CPU 226：和 CPU224 相比，增加了通信口的数量，通信能力大大增强，可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。CPU226XM：它是西门子公司推出的一款增强型主机，主要在用户程序和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和 CPU 226 相同。4.1.1 硬件系统硬件系统S7-200PLC 属于小型 PLC，其主机的基本结构是整体式，主机上有一定数量的输入/输出(I/O)点，一个主机单元就是一个系统。它还可以进行灵活的扩展，如果(I/O

54、)点不够，则可增加(I/O)扩展模块；如果需要其他特殊功能，如特殊通信或定位控制等，则可以增加相应的功能模块。一个完整的系统组成如图 4.1 所示：图 4.1 S7-200PLC 系统组成主机单元：主机单元，又称基本单元或 CPU 模块。它由 CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等组成，是 PLC 的主要部分。实际上它就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。扩展单元：扩展单元，又称扩展模块。当主机 I/O 点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种 I/O 模块。根据 I/O 点数不同、性质不同、供电电压不同，I/O 扩展模块有多种类型。每个 CPU 所能连接的扩展

55、单元的数量和实际所能使用的 I/O 点数是由多种因素共同决定的。特殊功能模块：当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。它们是完成某种特殊控制任务的一些装置，如运动特殊通信模块、控制模块等。相关设备：相关设备是为充分和方便利用系统的硬件和软件资源而开发、使用的一些设备，主要有人机操作界面、编程设备和网络设备等。软件：软件是为管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，对

56、每一个输入/输出、内部存储单元、定时器和计数器等都称作软元件。软元件是 PLC 内部的具有一定功能的器件，这些器件实际上是由电子电路和寄存器及存储器单元等组成。为了把这种元器件和传统电气控制电路中的继电器区别开来，把它们成为软元件或者软继电器。它们最大的特点是：软元件是看不见、摸不着的，不存在物理性的触点；每个软元件可提供无限个常开触点和常闭触点；功耗低、体积小、寿命长。常用软元件有：输入继电器（I） 、通用辅助继电器(M)、输出继电器(Q)、特殊继电器(SM)、局部变量存储器(L)、变量存储器(V)、顺序控制继电器(S)、计数器(C)、定时器(T)、模拟量输入映像寄存器(AI)、高速计数器(

57、HC)、模拟量输出映像寄存器(AQ)、累加器(AC)等。4.2 步进电机的选择步进电机的选择本设计所使用的步进电机选用的型号是 75BF003 的三相反应式步进电机。该型号的步矩角为 1.5/3 度。相电压 30V，相电流 4A，保持转距 0.882Nm(1.2kgcm)，引线 6条，空载启动频率 1250Hz，额定功率 0.37kW，绝缘等级 E。规格：D 为 75mm； D1

58、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。图 4.3 三相反应式步进电机的结构图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 4.4 所示：图 4.4 A 相通电定转子错开示意图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。4.3 步进电机驱动电路设计步进电机驱动电路设计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功率放大

59、、环形分配，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动14。4.3.1 驱动器的选择驱动器的选择本设计选用型号为 SMD-340C 的驱动器。SMD-340C 三相步进电机驱动器是常州华音电子有限公司引进德国技术和器件生产的新一代三相反应式步进电机驱动器,具有非常好的性价比。在驱动电机过程中它以半步方式驱动步进电机。另外，SMD-340C 还具有许多非同寻常的特性，能充分控制电机系统的电机械性能，以获得最大工作效率。图 4.5 SMD-340C 型驱动器的外观图该型号驱动器的特点：（1）15-36V 直流操作电压（2）1.5-4A 相位峰值电流(按客户要求设定)（3）锁相时自动减流（4）半步驱

60、动（5）有源隔离三种输入信号(脉冲,方向，脱机)（6）输入信号:TTL 或 CMOS(5V.12V.15V.30V)主要技术指标:表 4-1名称最小值标准值最大值单位电机驱动电压123036V相位峰值电流1.534ASMD-340C 型驱动器采用封闭式小型结构，本身不带风机，其外壳即为散热体，所以使用时要将其固定在较厚、较大的金属板上或较厚的机柜内，接触面之间最好涂上导热硅脂，在其旁边加一风机也是一种较好的散热办法。4.3.2 步进电机驱动电路图 4.6 为步进电机的驱动电路。图中仅为一相的驱动电路，其余两相与之相同。在图中三极管 T1 起开关作用。当三极管截止时，无集电极电流流通，开关相当于

61、断开；当三极管饱和时， 流过的集电极电流最大， 开关相当于闭合，该开关“动作”可由加于基极的电流来控制。由 T2、T3 两个三极管组成达林顿式功放电路， 驱动步进电机的 3个绕组，使电机绕组的静态电流达到近 2A。电路中使用光电耦合器将控制和驱动信号隔离。当控制输入信号为低电平时，T1 截止，输出高电平，则红外发光二极管截止，光敏三极管不导通，因此绕组中无电流流过；当输入信号为高电平时，T1 饱和导通， 于是红外发光二极管被点亮， 使光敏三极管导通，向功率驱动级晶体管提供基极电流， 使其导通，绕组被通以电流。 图 4.6 步进电机驱动电路4.3.3 驱动驱动电路接口电路接口图 4.7 驱动器接

62、口4.3.4 电气原理图电气原理图4.8 正反转电气原理图按下正转启动按钮 SB1，正向接触器 KM1 通电，KM1 主触头和自锁触头闭合，电动机 M 正转。按下反转启动按钮 SB2，正向接触器 KM2 通电，KM2 主触头和自锁触头闭合，电动机 M 反转。该控制电路必须要求 KM1 与 KM2 不能同时通电，否则会引起主电路电源短路。为此要求线路设置必要的联锁环节，如图 4.8 所示。将其中一个接触器的常闭触头串入另一个接触器线圈电路中，则任何一个接触器先通电后，即使按下相反方向的启动按钮，另一个接触器也无法通电，这种利用两个接触器的辅助常闭触头互相控制的方式，称为电气互锁。4.4 PLC驱

63、动步进电机驱动步进电机西门子 PLC 本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为10KHz，能够满足步进电动机的要求。对 PLC 提出两个特性要求。一是在此应用的 PLC最好是具有实时刷新技术的 PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使环形脉冲分配能有较高的分配速度，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。二是 PLC 本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。如图 4.9 所示：图 4.9 控制框图环形分配程序对步进电机各相绕组的通电顺序进行环形脉冲分配，从而控制接到步进电机三相绕组的直

64、流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。每当步进电机走一步，环形脉冲分配程序的步数减一，当步数减为零时，停止环形脉冲分配，等待下一次的脉冲输入。下图 4.10 为 PLC 控制接线图：图 4.10 I/O 接线图5 S7-200PLC 控制步进电机软件设计控制步进电机软件设计5.1 STEP7-Micro/WIN32概述概述STEP7-Micro/WIN32 是西门子公司专为 SIMATIC S7-200 系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于 Windows 的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。S7-200 CN CPU 必须配合 S

65、TEP7-Micro/WIN V4.0 SP3 或以上版使用。STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP3 配合 S7-200 CN 使用时，必须设置语言环境为中文才能正常工作。STEP 7-Micro/WIN 编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环 境。它简单、易学，能够解决复杂的自动化任务。它的优点很明显：适用于所有 SIMATIC S7-200 PLC 机型软件编程；同时支持STL、LAD、FBD 三种编程语言，用户可以根据自己的喜好随时在三者之间切换；软件包提供无微不至 的帮助功能，即使初学者也能容易地入门；包含多国语言包，可以方便地在各语言版本间切 换；

66、具有密码保护功能，能保护代码不受他人操作和破坏15。5.1.1 基本功能基本功能STEP 7-Micro/WIN 提供软件工具帮助调试和测试程序。它的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，其主要实现以下功能。（1）在脱机（离线）方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。在脱机方式时，计算机与 PLC 断开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、编译、调试和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上。（2）在联机（在线）方式下可以对与计算机建立通信关系的 PLC 直接进行各种操作，如上载、下载用户程序和组态数据等。（3）在编辑程序的过程中进行语法检查，可以避免一些语法错误和数据类型方面的错误。经语法检查后，梯形图中错误处的下方自动加红色波浪线，语句表的错误行前自动画上红色叉，且在错误处加上红色波浪线。（4）对用户程序进行文档管理，加密处理等。（5）设置 PLC 的工作方式、参数和运行监控等。5.1.2 运动控制运动控制S7-200 提供有开环运动控制的三种方式：脉宽调制（PWM)内置于 S7-200，用于速度、位置或占空比控制。脉冲串输出（PTO)内置于 S7-200

　　标准步进电机运行安静，振动更小，并集成了14位高分辨率编码器，用于位置反馈。闭环控制，定位后不失步骤保持稳定，无振荡，根据负载自动调节电流输出，降低温升。在满足节能和高承载要求的情况下，它可以取代传统的步进电机。

　　步进电机的传统应用如图1所示：

　　1、MODBUS通信实例介绍

　　标准步进电机运行安静，振动更小，并集成了14位高分辨率编码器，用于位置反馈。闭环plc控制系统，定位后不失步骤保持稳定，无振荡，根据负载自动调节电流输出，降低温升。在满足节能和高承载要求的情况下，它可以取代传统的步进电机。

　　步进电机的传统应用如图1所示：