基于PLC的步进电机控制 (课程设计)

  本文介绍了本实验旨在完成使用PLC（Programmable Logic Controller）控制步进电机的整步运行、正反转运行、快慢速运行以及定位运行。文中指出本次使用的编程思想主要为模块化设计即为完成任务可对程序划分为主程序及子程序。由于步进电机需要脉冲来运行，所以本程序使用PTO高速脉冲输出脉冲。在定位程序中则应用到中断子程序命令。另外，本文为更好的阐述实验内容，加入了与之前完全不同的方式的对比实验。在对比试验中则应用计时器来完成步进电机的脉冲产生，另步进电机的各种功能则使用了一般的设计方式来实现。二者完成完全相同的功能。

关键词：PLC 步进电机 PTO高速脉冲 

目  录

1  实验内容………………………………………………………………………1

1.1实验任务……………………………………………………………………1

1.2实验要求 …………………………………………………………………1

2  实验设备…………………………………………………………………………………2

2.1步进电机简介…………………………………………………………………2

2.2 PLC简介………………………………………………………………………2

3  设计过程…………………………………………………………………………………3

3.1设计思想…………………………………………………………………………………3

3.2程序设计…………………………………………………………………………………4

4  对比实验…………………………………………………………………12

4.1对比程序思想…………………………………………………………12

4.2对比程序………………………………………………………14

谢辞………………………………………………………………………………15

参考文献…………………………………………………………………………16

1实验内容

1.1实验任务

    本次实验要求改变PLC脉冲输出信号的频率，实现步进电机的速度控制。同时按下K1、K2、K3按钮，步进电机进行整步运行。按下慢/快按钮，电机慢/快速运行。用PLC输出脉冲的个数，实现步进电机的精确定位。在整步运行状态下，设脉冲数为一固定值，并用计数器进行计数，实现电机的精确定位控制。按下停止按钮，系统停止工作。

1.2实验要求

    本设计要求使用步进电机。选用的步进电机为二项混合式，供电电压24VDC，功率30W，电流1.7A，转矩0.35NM，步矩角1.8º/0.9º,并配有细分驱动器，实现细分运行，减少震荡。

    本设计要求选用PLC设计出输出频率可变的控制程序，实现对步进电机的速度、方向、定位、细分等控制功能。

    本设计旨在培养综合设计能力、创新能力、分析问题与解决问题的能力。掌握PLC控制的步进电机控制系统的构成及设计方法；掌握PLC控制程序设计、调试的方法。

2  实验设备

2.1步进电机简介

    步进电机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转到一个角度或前进一步。

    步进电动机的角位移量θ或线位移量S与脉冲数k成正比，在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而波动。因而可适用于开环系统中作执行元件，使控制系统大为简化，步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速；能够快速启动、反转和制动。它不需要变换能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用微型计算机控制。

    近几十年来，数字技术和电子计算机的迅速发展为步进电机的应用开辟了广阔的前景。在现代工业，特别是航空、导弹、无线电等工业中，要求加工的机械零件形状复杂，数量多，精度高，利用人工操作不仅劳动强度大，生产效率低，而且要求精度难以达到。目前，我国已较多地将步进电机用于机械加工的数字程序控制机床中（即数控机床）；在绘图机、轧钢机的自动控制，自动记录仪表和数模变换等方面也得到很多的应用。

2.2PLC简介

    国际电工委员会（IEC）1987年2月颁布第三稿，终稿中对可编程控制器的定义是：

    “可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各类型机械的生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统相连成一体，易于扩充其功能的原则设计。”

    PLC的发展大致分为：初级阶段、崛起阶段、成熟阶段、飞速发展阶段和开放性、标准化阶段。PLC总的发展趋势是向高集成度、体积小、容量大、速度快、易使用、性能高，信息化、软PLC、标准化、与现场总线技术紧密结合等方向发展。

    初期的PLC主要在以开关量居多的电气顺序控制系统中使用，但20世纪90年代后PLC也被广泛地在流程工业自动化系统中使用，一直到现在的现场总线控制系统，PLC更是其中的主要角色，其应用面越来越广。PLC之所以被广泛使用，其主要原因是：价格低、抗干扰能力强，可靠性高、控制系统结构简单，通用性强、编程方便，易于使用、功能强大、设计、施工、调试的周期短、维护方便。

    目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、制药、电力、机械制造、汽车、批量控制、装卸、造纸/纸浆、食品/粮食加工、纺织、环保和娱乐等行业。

3设计过程

3.1设计思想

    为实现实验要求本控制程序采用模块化设计，分为主程序、子程序、和中断程序。

    参数定义及I\\O接口地址分配如下： 

1程序完成功能：

（1）当按下启停开关是步进电机运行灯亮，步进电机以1000ms为周期整步运行。

（2）当按下正反转按钮时步进电机无论快慢反向运行。

（3）当按下快速按钮时步进电机以100ms为周期快速运行。

（4）当按下慢速按钮时步进电机以2500ms为周期慢速运行。

（5）再次按下启停按钮步进电机停止运行，运行灯灭。

图1

2程序完成功能：

（1）当按下启停按钮时步进电机可以运行。

（2）当按下定位按钮是步进电机以1000ms为周期运行同时运行灯亮，运行3步后电机停止运行灯灭。（注：该步可重复操作。）

（3）再次按下启停按钮步进电机彻底停止。

图2

3.2程序设计

    设计1程序如图：  

图3

  程序Network 1与Network 2表示当启停键按下，按下快速按钮由于Network 1中快速常闭开关断开Network 1无法调用POTSBR1子程序，同时Network 2开始运行子程序POTSBR2由于M0.1的设计快速按钮自锁POTSBR2实现持续的运行。同理按下慢速按钮时POTSBR2停止POTSBR1开始运行。快慢按钮之间互锁，快慢键自身自锁。

图4

    Network 3主要负责按下启停按钮时运行灯亮灭，当无快慢信息输入时POTSBR3运行，由于M0.0和M0.1两个常闭开关，当按下快慢任意一键时POTSBR3停止。同时正反转按钮按下实现方向的变化 。

    Network 1、2、3为并列的主程序，它们共同控制子程序的调用及一些基本功能。 

    一程序子程序如下图所示：

    子程序中我们使用PLS Q0.0输出高速脉冲。高速脉冲串输出PTO和宽度可调脉冲输出PWM都由PLS指令激活输出。Q0.0的寄存器选用SMB67以及SMB68。SMW67为控制PTO\\PWM脉冲输出的基本功能，控制字节为16#8D。16#8D意为SM67控制字由低到高8位16进制数为1000 1101即允许脉冲输出PTO模式下单管线异步更新，以ms为周期单位允许PTO更新输出脉冲个数但脉冲周期不更新。SMW68为周期值。

图5

上图为POTSBR1子程序图中SMB67为16#8D，SMW68为2500，即将慢速运行周期设定为2500ms当调用该子程序时PLS由Q0.0输出周期为2500ms的脉冲。

图6

图7

  上两图同理将快速脉冲周期定为100ms,正常速周期为1000ms。POTSBR1、2、3三个子程序分别等待调用。

由以上主程序及其子程序即可完成，要求中整步运行，按下慢\快按钮，电机慢\快速运行。PLC输出信号为驱动器方向电平的输入信号，实现步进电机的方向控制。按下正\反转按钮，电机正\反转运行。运行灯指示启停状态。

2程序设计如图：

图8

    Network 1当按下启停按钮和定位按钮时给POTSBR0一个上升沿将其触发，为防止定位后下降沿再次触发POTSBR0在定位开关和POTSBR之间加一P开关。

    Network 2当按下定位按钮时运行灯通过自锁保持在定位期间始终亮。

    Network 1、2为2号程序的主程序，二者共同保证子程序的调用及运行灯的工作。

图9

    上图为2号程序的子程序。PLS设置同1号程序脉冲仍由Q0.0输出，SMD72定为3意为PLS输出三个脉冲后程序停止。中断程序名为INT_0，ENI开中断。

图9

    上图为中断子程序INT_0当脉冲输出数为3时中断，此时运行灯状态清零。

    由上两个子程序共同完成计数中断从而实现定位。

4对比试验

4．1对比程序思想

    完成实验后我们加入了对比实验，此次的实验目的同上，只是设计思路不同。完成主实验是我们采用了模块化的设计思路，对完成任务的程序分为主程序和子程序。而此次的设计思路则不分主从，产生脉冲方式则改为计时器产生脉冲。

    下图为1任务程序图：

图10

上图为一程序运行灯与正反转的控制程序，其设计与主实验的程序完全相同。

    下图与上图在该实验中并列。下图为正常速与快慢速运行的控制程序。其正常速度周期为1000ms，快速周期为100ms,慢速周期为2500ms。其各状态速度同上。

图11

 下图为定位程序：

图12

4.2实验对比

  经过两次以不同的设计思想对同一任务进行设计，体会到模块化思想有着极大的优越性和先进性。在完成相同功能的前提下，模块化程序设计时可以实现多人分工同时进行，大大提高了设计效率缩短了设计周期。在阅读程序时，模块化的程序会相对短小，便于阅读。而PTO产生高速脉冲的方式相比于计时器也更为直观和简便。

谢  辞

本次专业课程实践已经到了尾声，感激之情溢于言表。从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

回想实践这几个周的经过，我感慨颇多。刚接触到实践题目，大家都是一脸的迷茫不知如何开始。感谢姚老师，他为我们解答实践过程中的难点，并悉心的指导的我的操作。在此我向姚老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。同时我还要感谢同组的同学们，感谢大家在我遇到困难和疑惑时真诚的帮助我、支持我。感谢学校给我们提供的方便条件开放实验室给我们进行课题。我要感谢在我人生中最美丽的四年里出现并给予我无私帮助的所有人，我向你们致以最诚挚的谢意！感谢你们！在论文即将完成之际我在这里再一次感谢我的导师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。感谢我的同学们对我的帮助和指点。没有他们的帮助和提供资料对于我一个并没有明确思路和扎实基础知识的人来说要想在短短的几天的时间里充分理解并且灵活运用PLC知识并完成论文是几乎不可能的事情。非常感谢！

参考文献

[1]  王永华．现代电气控制及PLC应用技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[2]  陈隆昌 阎治安 刘新正.控制电机[M].西安:西安电子科技大学出版社,2011.

[3]  坂本正文[日]，步进电机应用技术[M].北京：科学出版社,2003. 

[4]  廖常.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2003.

[5]  汤以范.电气与可编程序控制器技术[M].北京：机械工业出版社，2004.