基于S7-200步进电机控制器.doc

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1、基于S7-200步进电机控制器摘 要步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应线位移或角位移的电动机。在工业自动化的今天，PLC技术已经充分应用到工业生产当中，大大提高生产效率。PLC控制步进电机也已经在许多工业控制中应用广泛,本文介绍了PLC编程控制步进电动机来完成运行，主要通过PLC发送脉冲和方向信号给步进电机的驱动器,由驱动器来控制步进电机工作的原理。利用S7-200额定电流可调的等角度恒力矩细分实现步进电机控制器，改善了步进电机在低速运行时的振动、噪声大，且输出转矩随着步进电机的转速升高而下降等缺点，显著地提高了步进电机的性能，使步进电机运动平稳，速度快，噪音低，控制精高。本设计采用PLC

2、和大功率晶体管实现步进电机的驱动和控制,结构简单,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。关键词：S7-200，步进电机，继电器，驱动器 ABSTRACYSteppermotor is amotorthat converts electric pulse signal intocorresponding linearand angular displacement.In the industrial automationtoday,PLC technology has beenfullyapplied to industrialproduction,greatly impr

3、ove the production efficiency.PLC stepper motor controlhas also beenwidely usedin many industrialcontrol,this paper introduces the PLCprogramming control of stepper motorto complete theoperation,mainly through thePLC send a signal of pulse and directiontothe stepper motor drive,principleby the drive

4、rto control the stepper motorwork.The use of S7-200ratedcurrent adjustableangle constant torquesubdivisionstepper motor controller,vibration,noise,improve the stepping motorat low speedandlargeoutput torque,shortcomingswith the stepper motor speeddecreases,and significantly improvethe stepper motor

5、performance,thestepper motora smooth,fast speed,low noise,highcontrol precision.Drive andcontrol,this design uses thePLC and largepower transistor implementation of stepping motorhas the advantages of simple structure,high reliability,low cost,strong practicability,has highuniversalityand applicatio

6、n value.Keywords: S7-200, stepper motor drive, relay,目 录 基于S7-200步进电机控制器I摘 要IABSTRACYI前 言1第一章 绪论21.1概述21.2国内、外S7-200 PLC发展和趋势41.3 论文的主要研究工作6第二章 步进电机72.1步进电机的特点72.2 步进电机的工作原理及分类82.2.1 步进电机的工作原理82.2.2 步进电机的分类92.3 步进电机在工业中的应用10第三章 西门子S7-200 PLC103.1 S7-200 PLC103.1.1 硬件系统113.1.2 软元件123.2 PLC的工作原理13第四章

7、S7-200 PLC控制步进电机的设计144.1步进电机的控制原理144.2控制器的总体设计154.2.1 控制电路164.2.2 驱动电路164.3 硬件选择174.3.1 驱动器选择174.3.2 PLC的选择184.3.3 步进电机的选择184.2 步进电机驱动电路设计194.2.2 步进电机驱动技术194.3 PLC控制步进电机21总 结25参考文献25致谢2626 前 言步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等

8、灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机是机电一体化产品中的关键组件之一，是一种性能良好的数字执行元件，随着计算机应用技术、电子技术和自动控制技术在国民经济各个领域中的普及与深入，步进电机的需求量越练越大。随着工业技术的不断发展，以及同类产品的不断出现，步进电机面临着前所未有的挑战。但近30年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动步进电机的发展，为步进电机的应用开辟了广阔的前景，近几年来，步进电机需求量一直呈现出较快的增长速度，

9、其中扫描仪、打印机、传真、DVD-ROM/CD-ROM驱动器、空调及多功能自动化办公设备等应用对步进电机的需求增长最强。此外由于USB2.0的日益流行促进了高分辨率扫描仪的销售，步进电机向着小型、薄型和更小的步进角度发展。步进电机有着方方面面重要应用，如何对其进行有效控制，使其能够发挥最大的优势是各个行业技术开发人员所共同关注的。本文主要对实现S7-200编程来控制步进电动机的正常运行、正反转运行切换、停止和保护进行了全面的研究与阐述。第一章 绪论1.1概述可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，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。它采用可编程序的储存器，

10、其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各类型的机械或生产过程。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计的。PLC自产生至今只有30多年的历史，却得到快速的发展和广泛的应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。产生和发展过程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、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法得到工业生产的满足的需求，迫使人们寻找一种新的控制技术。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同：1） 中央处理单元（

11、CPU）是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入得用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序储存器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕以后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用爽CPU构成冗余系统，或

12、采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 2）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序储存器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 步进电动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的个数成正比，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。所以只要控制指令脉冲的数量、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，因而广泛应用在数控机床、钟

13、表、数字系统、程序控制系统 及航天工业装置中。 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。因此如何实现PLC控制步进电机的通用控制电路设计方法有着实际生产意义。1.2国内、外S7-200 PLC发展和趋势1）20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Contro

14、ller（PLC）。 20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。 20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30%-40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程

15、控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，PLC已由最初一位机发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化PC，而且实现了多处理器的多通道处理。如今，PLC技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示

16、的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。 现在，世界上有200多家PLC生产厂家，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色。其中，美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司。欧洲PLC产品主要制造商有德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司。日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士等，韩国的三星（SAMSUNG）、LG等，这些生产厂家的产品占有80%以上的PLC市场份额。 经过多年的发展，

17、国内PLC生产厂家约有三十家，国内PLC应用市场仍然以国外产品为主。国内公司在开展PLC业务时有较大的竞争优势，如：需求优势、产品定制优势、成本优势、服务优势、响应速度优势。2） 随着PLC应用领域日益扩大，PLC技术及其产品结构都在不断改进，功能日益强大，性价比越来越高。 （1）、在产品规模方面，向两极发展。 一方面，大力发展速度更快、性价比更高的小型和超小型PLC。以适应单机及小型自动控制的需要。另一方面，向高速度、大容量、技术完善的大型PLC方向发展。随着复杂系统控制的要求越来越高和微处理器与计算机技术的不断发展，人们对PLC的信息处理速度要求也越来越高，要求用户存储器容量也越来越大。（

18、2）、向通信网络化发展 PLC网络控制是当前控制系统和PLC技术发展的潮流。PLC与PLC之间的联网通信、PLC与上位计算机的联网通信已得到广泛应用。目前，PLC制造商都在发展自己专用的通信模块和通信软件以加强PLC的联网能力。各PLC制造商之间也在协商指定通用的通信标准，以构成更大的网络系统。PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的组成部分。（3）、向模块化、智能化发展 为满足工业自动化各种控制系统的需要，近年来，PLC厂家先后开发了不少新器件和模块，如智能I/O模块、温度控制模块和专门用于检测PLC外部故障的专用智能模块等，这些模块的开发和应用不仅增强了功能，扩展了PLC的应用范围，还

19、提高了系统的可靠性。（4）、编程语言和编程工具的多样化和标准化 多种编程语言的并存、互补与发展是PLC软件进步的一种趋势。 PLC厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益向MAP(制造自动化协议)靠拢，使PLC的基本部件，包括输入输出模块、通信协议、编程语言和编程工具等方面的技术规范化和标准化。1.3 论文的主要研究工作掌握步进电机的原理及驱动方法，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S7-200PLC程序，实现主站PLC对步进电机的控制。图1为西门子S7-200 PLC的编程软件界面:图1第二章 步

20、进电机2.1步进电机的特点步进电机的特点如下：1）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。当它转一周后，没有累积误差，具有良好的跟随性。2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3）步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。4）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。5）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。6）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。7）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能

21、直接使用交流电源以及直流电源。8）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。9）步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点，步进电机温度过高时会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。10）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。1

22、1）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频2.2 步进电机的工作原理及分类2.2.1 步进电机的工作原理现以反应式三相步进电机为例说明其工作原理。 三相步进电机的定子铁心上有六个形状相同的大齿，相邻两个大齿之间的夹角为60 度。每个大齿上都套有一个线圈，径向相对的两个线圈串联起来成为一相绕组。

23、各个大齿的内表面上又有若干个均匀分布的小齿。转子是一个圆柱形铁心，外表面上圆周方向均匀的布满了小齿。转子小齿的齿距是和定子相同的。设计时应使转子齿数能被二整除。但某一相绕组通电，而转子可自由旋转时，该相两个大齿下的各个小齿将吸引相近的转子小齿，使电动机转动到转子小齿与该相定子小齿对齐的位置，而其它两相的各个大齿下的小齿必定和转子的小齿分别错开正负1/3 的齿距，形成“齿错位”，从而形成电磁引力使电动机连续的转动下去。和反应式步进电动机不同，永磁式步进电动机的绕组电流要求正，反向流动，故驱动电路一般要做成双极性驱动。混合式步进电动机的绕组电流也要求正，反向流动，故驱动电路通常也要做成双极性。2.

24、2.2 步进电机的分类目前常用的步进电机有三类：1、反应式步进电动机（VR）。采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差。2、永磁式步进电动机（PM）。转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是7.50。它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。3、混合步进电动机（HB）。这是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中

25、多用此类电机。2.3 步进电机在工业中的应用步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用于各种家电产品中，例如：打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、机械手臂和录像机等。另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化中。由于通过控制脉冲个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积累，可以达到准确定位的目的。还可以通过控制频率很方便的改变步进电机的转速和加速度，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开环控制系统中。第三章 西门子S7-200 PLC3.1 S7-200 PLCS7-200 PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能可达到大、中型PLC的

26、水平，而价格却与小型PLC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产品中主要是大中型PLC，日本的小型PLC占据了中国大部分的市场份额。在S7-200 PLC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S7-200 PLC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CPU22*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，并且可以很容易的组成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

27、计时更加简单，几乎可以完成人和功能的控制任务。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。3.1.1 硬件系统S7-200 PLC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）点不够，则可以增加（I/O）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。下图是一个完整的系统组成：通信模块CPU主机模块功能模块扩展模块编辑工具HMI人机模块 工业现场总线 主机单

28、元：又称基本单元或CPU模块。它有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，可以单独的完成一定的控制任务。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，用户可以自己扩展各种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。他们是完成某种特殊控制任务的一些装置，如运动控制模块、特殊通信模块等。相关设备：相关设备是为充分和方便利用系统的硬件

29、和软件资源而开发、使用的一些设备，主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。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S7-200 PLC来说，与之配套的软件主要有STEP7-Micro/WIN和HMI人机界面的组态编程软件Pro Tool/Win CC flexible。3.1.2 软元件用户使用的PLC中的每一个输入/输出、内部存储单元、定时器和计数器等都称为软元件。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单元组成的。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，把他们称为软元件或者软继电器。他们的最大特点是：1） 软元件是

30、看不见、摸不着的，不存在物理性的触点；2） 每个软元件可提供无限个常开触点和常闭触点；3） 体积小、功能地、寿命长。 常用软元件有：输入继电器（I）、输出继电器（Q）、通用辅助继电器（M）、特殊继电器（SM）、变量存储器（V）、局部变量存储器（L）、顺序控制继电器（S）、定时器（T）、计数器（C）、模拟量输入映像寄存器（AI）、模拟量输出映像寄存器（AQ）、高速计数器（HC）、累加器（AC）等。3.2 PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执

31、行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点

32、构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直

33、接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。第四章 S7-200 PLC控制步进电机的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、工业控制及控制、可编程控制器控制等几种。本设计选用西门子S7-200 PLC通过控制继电器来控制步进电机。4

34、.1步进电机的控制原理步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合对数字系统的控制，利用PLC控制非常简便。步进电机可分为反应式步进电机（简称“VR”）、永磁式步进电机（简称“PM”）和混合式步进电机（简称“HB”）。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是通过输入脉冲信号来进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由各类控制器来产生。其 基本原理如下： 控制换相顺序，通电换相。这一过程称为“脉冲分配”。例如：四相步进电机的单四拍工作方式，其各相通电顺序

35、为A-B-C-D。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，控制步进电机的转向。如果给定工作方式正序换相通电，则步进电机正转;如果按反序换相通电，则电机就反转。控制步进电机的速度。如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整控制器发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。4.2控制器的总体设计 通常情况下，步进电机驱动系统由控制电路、驱动电路、步进电机三部分构成，如由图1所示：PLC 控制 电路脉冲信号分配电路 驱动 电路步进电机开始I0.0Q0.0正反I0.1Q0.14.2.1 控制电路 用于产生脉冲

36、，控制电机的速度和转向。本设计中采用SIMATIC S7-200CPU-214PLC作为控制核心部件。S7-200PLC的CPU214有两个脉冲输出，可以用来产生控制步进电机驱动器的脉冲，S7-200PLC完全能够实现控制要求。S7-200CPU本体已含有高速脉冲输出功能，CPU脉冲输出频率达20-100KHz，可以用来驱动步进电机或伺服电机，再由电机直接驱动负载主轴旋转，完成控制工艺所要求的动作。4.2.2 驱动电路由脉冲信号分配和功率细分驱动电路组成。根据控制器输入的脉冲和方向信号，为步进电机各绕组提供正确的通电顺序，以及电机需要的高电压、大电流；同时提供各种保护措施，如过流、过热等保护。

37、功率驱动器将控制脉冲按照设定的模式转换成步进电机线圈的电流，产生旋转磁场，使得转子只能按固定的步数来改变它的位置。连续的脉冲序列产生与其对应同频率的步序列。如果控制频率足够高，步进电机的转动可看作一个连续的转动。4.2.3 步进电机控制信号经驱动器放大后驱动步进电机，带动负载。用S7-200PLC的Q0.0的输出脉冲触发步进电机驱动器。当输入端I1.0发出START信号后，控制器将输出固定数目的方波脉冲，使步进电机按对应的步数转动。当输入端I1.1 发出STOP信号后，步进电机停止转动。接在输入端I1.5的方向开关位置决定电机正转或反转。本设计中采用带有标准的功率驱动器和相关连接电缆的步进电机

38、。4.3 硬件选择4.3.1 驱动器选择本设计选用型号为2MA320的驱动器。该型号驱动器的特点：1） 供电电压DC12-36V或AC12-24V2） 驱动电流0.3-2.0A3） 细分精度1-128细分可选4） 光隔离信号输入5） 电机噪声优化功能6） 可驱动任何2.0A相电流以下两相、四相混合式步进电机7） 20KHz斩波频率下面是步进电机驱动器的内部结构： 功率放大器 环形分配器 接 口 电 路 脉冲脉冲方向 方向4.3.2 PLC的选择选择西门子S7-200 CPU224 的PLC。(1) 14 输入/10输出，共24个数字量I/O点；(2) 可连接7个扩展模块，最大可扩展至168 路

39、数字量I/O点或35路模拟量I/O点；（3 ) 13KB程序和数据存储空间；（4） 6个独立的30kHZ高速计数器，2路独立的20kHZ高速脉冲输出； (5) 具有PID控制器； (6) 1个RS485通信/编程口； (7) 具有PPI通信协议； (8) 具有MPI通信协议； (9) 具有自由方式通信能力； (10) I/O端子排可很容易地整体拆卸。4.3.3 步进电机的选择本设计采用相混合式步进电机。该型号的步进电机步矩角为1.8，相电流1.2A，相电阻30，相电感37mH，静转矩2.8kgcm，转动惯量36gcm2，轴径5mm，引线4条，机身长56mm 4。两相混合式步进电机内部结构如图所

40、示： 两相混合式步进电机内部结构两相混合式步进电动机的绕组接线如图所示，A、B两相绕组沿径向分相，沿着定子圆周有8个凸出的磁极，1、3、5、7磁极属于A相绕组，2、4、6、8磁极属于B相绕组，定子每个极面上有5个齿，极身上有控制绕组。转子由环形磁钢和两段铁芯组成，环形磁钢在转子中部，轴向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端，使得转子轴向分为两个磁极。转子铁芯上均匀分布50个齿，两段铁芯上的小齿相互错开半个齿距，定转子的齿距和齿宽相同。线圈1、5、3、7串联组成A相绕组；线圈2、6、4、8串联组成B相绕组。绕组接线如图4-2所示： 两相混合式步进电动机的绕组接线4.2 步进电机驱动电路设计步进电机必

41、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环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动。4.2.2 步进电机驱动技术接口电路用光电隔离方式将运动控制器和驱动器连接起来，避免驱动器中的大电流干扰信号经地线窜入运动控制器电路。环形分配器将脉冲及方向信号按设定的节拍方式，转换为功放管的导通和截止信号，从而控制各相绕组的通电和断电。功率放大器将电源功率转换为电机输出功率驱动负载运动。驱动接口电路如图4-4所示：当两相控制绕组按次序轮流通电，每拍只有一相绕组通电，四拍构成一个循环。当控制绕组有电流通过时，便产生磁动势，它与永久磁钢产生的磁动势相互作用，产生电磁转矩，使

42、转子产生步进运动。 当A相绕组通电时，在转子N极端磁极1上的绕组产生的S磁极吸引转子N极，使得磁极1下是齿对齿，磁力线由转子N极指向磁极1齿面，磁极5下也是齿对齿，磁极3和7是齿对槽，所示A相通电转子N极端定转子平衡。由于两段转子铁芯上的小齿相互错开半个齿距，在转子S极端， 磁极1和5产生的S极磁场，排斥转子S极，与转子正好是齿对槽，磁极3和7齿面产生N极磁场，吸引转子S极，使得齿对齿。A相绕组通电时转子N极端、S极端转子平衡。因转子上共有50个齿，其齿距角为360/50=7.2，定子每个极距所占的齿数为不是整数，因此当定子的A相通电，在转子N极，磁极1的5个齿与转子齿对齿，旁边的B相绕组的磁

43、极2的5个齿和转子齿有1/4齿距的错位，即1.8， A相通电时定转子齿展开图画圆圈的地方，A相磁极3的齿和转子就会错位3.6，实现齿对槽了。磁力线是沿转子N端A(1)S磁极导磁环A(3)N磁极 转子S端转子N端，成一闭合曲线。当A相断电B相通电时，磁极2产生N极性，吸合离它最近的S极转子7齿，使得转子沿顺时针方向转过1.8，实现磁极2和转子齿对齿，B相绕组通电定转子齿展开图如图5所示，此时磁极3和转子齿有1/4齿距的错位。依次类推若继续按四拍的顺序通电，转子就按顺时针方向一步一步地转动，每通电一次即每来一个脉冲转子转过1.8，即称步距角为1.8，转子转过一圈需要360/1.8=200个脉冲。在

44、转子S极端也是同样道理,当绕组齿对齿时,其旁边一相磁极错位1.8如图所示： A相通电时定转子齿展开图 B相绕组通电定转子齿展开图4.3 PLC控制步进电机控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。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或更高。其目的是使脉冲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

45、、数安培脉冲电流的驱动要求。利用PLC输出脉冲信号，通过驱动器驱动步进电机。原理框图如下图所示： 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两相绕组的直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。当步进电机各相绕组的通电顺序按 ：A+B+A-B-导通断开时，步进电机正转。当按A-B+A+B- 依次导通、断开时，步进电机反转，即步进电机可以按两相四拍工作。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。控制部分的由外部开关决定。输入点符号输出点符号启动信号I0.0脉冲输出信号Q0.0方向选择

46、信号I0.1方向控制信号Q0.1先按下I0.0启动按钮，用接在I0.1的开关来选择方向。如果I0.1=1，将输出Q0.1置高位，则电机逆时针转动。如果I0.1=0，将输出Q0.1置低位，电机顺时针转动。总 结本文论述了基于PLC的步进电机控制系统的设计方法和研制过程，包括硬件设计、软件设计以及系统组态等方面。硬件电路用西门子PLC、驱动器和步进电机设计而成。软件程序用PLC梯形图和语句表语言写成。在本次设计中，利用软硬件结合，实现对步进电机工作状态的控制。利用PLC输出的脉冲和方向信号，改变对步进电机绕组的通电方式和通电顺序，来准确控制步进电机的正转、反转等工作状态。通过设定不同计时器的数值，来改变步进电机的工作频率。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，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化技术水平，加速了机电一体化的实现。参考文献1 刘顺禧，电气控制技术，北京：北京理工大学出版社，19952 束长保，