五相十拍步进电动机控制程序设计与调试

内容摘要

步进电动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。步进电动机是一种控制精度极高的电机, 在工业上有着广泛的应用。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的控制元件。基于PLC 控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，参数设计置灵活等优点。矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。本文主要是介绍采用可编程控制器(PLC) 对五相2/3十拍步进电机进行控制的设计原理及方法进行分析。本文详细的介绍了用PLC控制步进电机系统的原理，及硬件和软件设计方法。其内容主要包括I/O 地址分配、PIC外部接线图、控制流程图、梯形图以及语句表。本文设计过程中使用了十六位移位寄存器，大大简化了程序的设计，使程序更紧凑，方便了设计。

关键词: 步进电动机；总体方案；梯形图；调试过程

目录

内容摘要 0

第1章引言 (1)

1．1 步进电动机简介 (1)

1．2 设计任务及要求 (1)

1.2.1控制要求 (1)

1.2.2功能要求 (2)

1.2.3性能要求 (2)

第2章系统总体方案设计 (3)

2．1设计的基本思路 (3)

2．2方案原理分析 (3)

2.2.1 步进电动机的驱动控制 (3)

2.2.2 步进电动机的调速控制 (4)

2.2.3 步进电动机的转向控制 (4)

第3章 PLC控制系统设计 (5)

3.1 步进控制设计 (5)

3.2 控制流程图 (7)

3.3 输入输出编址 (8)

3.4 选择PLC类型 (8)

3.5 PLC外部接线图 (8)

3.6 梯形图程序设计 (9)

3.7 控制语句表 (14)

3.8 程序的调试 (17)

结论 (20)

设计总结 (21)

致谢 (22)

参考文献 (23)

第1章引言

1．1 步进电动机简介

步进电机作为执行元件，是电气自动化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。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的控制元件。目前，比较典型的控制方法是用单片机产生脉冲序列来控制步进电机。但采用单片机控制，不仅要设计复杂的控制程序和I/O接口电路，实现比较麻烦。基于PLC控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，参数设计置灵活等优点。步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。

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，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等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

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。

1．2 设计任务及要求

1.2.1控制要求

1．五相步进电动机有五个绕组: A、B、C、D、E

正转顺序: ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB

反转顺序: ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB

2．用五个开关控制其工作：

1 号开关控制其运行 ( 启 / 停 )。

2 号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.5 秒)。

3 号开关控制其中速运行 (转过一个步距角需 0.1 秒)。

4 号开关控制其低速运行 (转过一个步距角需 0.03 秒)。

5 号开关控制其转向 ( ON 为正转，OFF 为反转 )。

1.2.2功能要求

对五相六拍步进电机的控制，主要分为两个方面：五相绕组的接通与断开顺序控制。正转顺序：ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB反转顺序：ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB以及每个步距角的行进速度。围绕这两个主要方面，可提出具体的控制要求如下：

（1）可正转或反转；

（2）运行过程中，正反转可随时不停机切换；

（3）步进三种速度可分为高速（0.03S），中速（0.1S）,低速（0.5S）三档，并可随时手控变速；

1.2.3性能要求

在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑。另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。

第2章系统总体方案设计

2．1设计的基本思路

在进行程序设计时，首先应明确对象的具体控制要求。由于CPU对程序的串行扫描工作方式，会造成输入输出的滞后，而由扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个扫描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。因此，在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑。另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。以SIMATIC移位指令为步进控制的主体进行程序设计，可较好的满足上述设计要求。

2．2方案原理分析

2.2.1 步进电动机的驱动控制

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件，它实际上是一种多相或单相同步电动机。使用步进电动机时，只需要将单路单脉冲信号先通过脉冲分配器转变为电动机所需的多路（单路）单脉冲信号，再经功率放大后分别送入电动机各相绕组，即可使步进电动机准确运行。如图2-1所示，由于微机控制系统的输出脉冲电流往往是毫安级的，而步进电动机的电子绕组需要很大的电流才可以驱动其旋转，所以要使用功率放大器来驱动。

图2-1 步进电动机的驱动控制

每当一个脉冲信号施于步进电动机的控制绕组时，其转轴就会转过一个步距角，从而可以转换为角位移或线位移来带动负载。

本课程设计采用移位寄存器MW0的M0.0到M1.1的状态来触发后续的线圈带电，先给MW0赋初值1000000000，再通过移位指令和循环指令使M1.1到M0.0依次置位，再根

据真值表的状态来驱动各相绕组的通断电，从而来控制CP脉冲的频率，能够准确地控制电动机步进。

2.2.2 步进电动机的调速控制

在步进电动机的转速控制中，采用软件延时法，在每次换相后，调用一个延时子程序，待延时结束后再次换相。这样周而复始，即可发出一定频率的CP 脉冲，从而控制步进电动机按照某一确定的转速运转。可以计算得出，延时子程序的延时时间与换相子程序所用时间的和即是CP脉冲的周期，也是步进电动机的步进频率的倒数。

2.2.3 步进电动机的转向控制

根据寄存器MW0的后十位的状态能制定正反转的电机绕组状态的真值表，从而通过控制各相电枢绕组的通电顺序来控制电动机的转向。

第3章 PLC控制系统设计

3.1 步进控制设计

采用移位指令进行步进控制。首先指定移位寄存器MW0，按照五相十拍的步进顺序，移位寄存器的初值见表3-1。

表3-1 移位寄存器初值

每右移1位，电机前进一个布局角（一拍），完成十拍后重新赋初值。其中M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7始终为“0”。据此，可作出移位寄存器输出状态及步进电机正反转绕组的状态真值表，如表3-2、表3-3所示。从而得出五相绕组的控制逻辑关系式：

正转时：

A相 Q0.0=M1.1+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0

B相 Q0.1=M1.1+M1.0+M0.7+M0.1+M0.0

C 相Q0.2=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.5

D相 Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5+M0.4+M0.3

E相 Q0.4= M0.5+M0.4+M0.3+M0.2+M0.1

反转时：

A相 Q0.0=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.0

B相 Q0.1=M1.1+M1.0+M0.2+M0.1+M0.0

C相 Q0.2=M0.4+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0

D相 Q0.3=M0.6+M0.5+M0.4+M0.3+M0.2

E相 Q0.4=M1.0 +M0.7+M0.6+M0.5+M0.4

表3-2 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（正转）

表3-3 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（反转）

3.2 控制流程图

由于上述具体控制要求，可作出步进电机在运行时的程序框图，如图3-1所示。

图3-1 五相2/3十拍步进电动机控制流程图

由上图3-1可知，以工作框图为基本依据，结合考虑控制的具体要求，首先可将梯形图程序分为4个模块进行编程，即模块1：步进速度选择；模块2：正转、反转；模块3：起动、停止；模块4：移位控制功能模块；模块:5：A、B、C、D、E五相绕组对象控制。然后，将各模块进行连接，最后经过调试、完善、实现控制要求。

3.3 输入输出编址

控制步进电机的5个输入开关及控制A、B、C、D、E五相绕组工作的输出端在PLC 中的I/O编址如表3-4所示。

表3-4 I/O地址分配表

3.4 选择PLC类型

根据上图的I/O分配表，有5个输入5个输出，通过查阅手册可知，S7-200 CPU222有8个输入6个输出，故选择S7-200 CPU222基本单元1台

3.5 PLC外部接线图

PLC外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求来设定。步进电动机采用五相十拍控制外部接线图如图3-2所示。

图3-2 步进电动机采用五相十拍控制外部接线图

3.6 梯形图程序设计

梯形图设计如下，首先，按SB1、SB2或SB3初次选择一种步进速度，五相步进电动机的速度由定时器T33控制，把三个值50、10、3分别送到VW100可得到低速、中速、高速三种速度。再打开转换开关QS1，M2.0得电，移位寄存器赋初值，电机开始转动，且定时器开始计时，到设定值时，T33得电动作，移位寄存器值右移一位，C20计数一次，然后T33重新计时。计数十次后动作C20使移位寄存器重新赋值，依次循环。转换开关QS2控制正反转，ON时I0.4得五相步进电动机正转，OFF时 I0.4失电五相步

进电动机为反转。关掉转换开关QS1时，M20失电，C20复位，电机停止转动。

①②

① ②

3.7 控制语句表

指令表编程语言类似于计算机中的助记符汇编语言，它是可编程控制器最基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能，语句表通常和梯形图配合使用，互为补充。将该控制系统的梯形图转化为语句表如下所示：

3.8 程序的调试

1．利用S7 200仿真软件来对本程序进行调试，调试步骤如下：

第一步．硬件的选择：在菜单中点击“配置”，选择CPU型号为222类型，运行结果如图。

第二步．生成ASCII文本文件：在STEP7-MicroWin中打开编译成功的OB1文件，点击菜单命令“文件”，选择“导出”。

第三步．下载程序：执行菜单命令“文件”，选择“下载程序”，再选中生成的ASCII 文件，确定即可。

第四步．模拟调试程序：点击“运行”按钮，再按“监控”按钮进行状态监控，再进行各种控制要求的调试运行。

2．运行结果

（1）选择CPU型号，运行结果如图3-3所示

图3-3 选择CPU型号

（2）下载编好的程序，点击运行、监控，运行结果如图3-4所示

图3-4 运行监控

（3）电机正转，中速运行，再启动开关后的运行结果如图3-5所示

图3-5 中速正转