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5步10相步进电动机PLC控制.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.37M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    内容摘要 步进电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，使程序更间凑，方便了设计。在实 际应用中表明此设计是合理有效的。 关键词: PLC、五相十拍步进电机、梯形图、指令表
    第一章 引言 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。 下面介绍一种基于 PLC 的步进电机 PTO 控制的方法。 第二章 系统总体方案设计 2.1 程序设计的基本思路 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 五相步进电动机的控制要求： 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)。 1
    5 号开关控制其转向 ( ON 为正转，OFF 为反转 )。 2. 3 方案原理分析 2.3.1 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（0.05S），中速（0.3S）,低速（0.5S）三档，并可随时 手控变速； 2.3.2 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。 第三章 PLC 控制系统设计 3．1 输入输出编址 控制步进电机的个输入开关及控制 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 1 所示。 表 1 I/O 地址分配表 输入点 输出点 元件名称 符号 地址编码 元件名称 符号 地址编码 启/停开关 0.5s 低速运行开关 0.1s 中速运行开关 0.03s 高速运行开关 控制转向开关 SB1 SB2 SB3 SB4 QS I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 3.2 选择 PLC 类型 A 绕组 B 绕组 C 绕组 D 绕组 E 绕组 A B C D E Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 根据上图的 I/O 分配表通过查阅手册选择 S7-200 CPU222 基本单元（8 入/6 出）1 台 2
    3.3 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—1 所示。 SB1 SB2 SB3 SB4 QS CPU222 1M I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 2M I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 M L+ DC24V 1L Q0.0 Q0.1 Q0.2 2L Q0.3 Q0.4 Q0.5 N L1 A B C D E FU 220V AC 图 3—1 步进电动机采用五相十拍控制外部接线图 3.4 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—2 所示。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：起动、停止；模块 3：正转、反转；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
    开始 首次选择步进速度 启/停 正转或反转 位移寄存器赋初值 低 速 中 速 高 速 发出位移脉冲 执行位移 位移输出控制电机步进 N 十拍计数 Y 图 3—2 控制流程图 4
    3.5 梯形图程序设计 3.5.1 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 2。 表 2 移位寄存器初值 M1.1 M1.0 M0.7 M0.6 M0.5 M0.4 M0.3 M0.1 M0.0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 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 3.1、3.2 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 5
    表 3.1 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（正转） 移位寄存器 MW0 正转 M1.1 M1.0 M0.7 M0.6 M0.5 M0.4 M0.3 M0.2 M0.1 M0.0 A 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 B 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 C 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 表 3.2 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（反转） 移位寄存器 MW0 反转 M1.1 M1.0 M0.7 M0.6 M0.5 M0.4 M0.3 M0.2 M0.1 M0.0 A 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 6 B 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 C 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 D 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 D 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 E 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 E 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0
    3.5.2 梯形图设计 启停使用单按钮控制。梯形图设计如下，首先，按 SB2(SB3 或 SB4)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。再按 SB1，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，C21 计数一次，然后 T33 重新计时。计数十次后动作 C21 使移位寄存器重新赋值， 依次循环。QS 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。再按一下 SB1，C20 动作，M20 失电，C21 复位电机停止转动。 7
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