基于PLC的步进电机的开环控制系统设计 完整版


武汉理工大学华夏学院

课 程 设 计 报 告 书

题 系

目: 名:

可编程控制器 信息工程系 自动化 1093 张幸威 10212409323 乔志刚

专业班级: 姓 学 名: 号:

指导教师:

2012 年

1 月

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课程设计任务书
学生姓名: 指导教师: 题目: 张幸威 乔志刚 专业班级: 自动化 1093 工作单位:信息工程系自动控制教研室

基于 PLC 的步进电机的开环控制系统设计

一.初始条件
1. 给出步进电机的基本工作原理、工作方式及其控制方法; 2. 给出实际调试用步进电机的驱动放大电路原理图; 3. 给出用于系统调试用的 S7-300PLC、计算机、调试用步进电机及其驱动放大电路; 4. 给出 PLC 的编程软件 STEP 7。

二.要求完成的主要任务
1. 设计要求 ⑴ 根据课程设计指导书给出的步进电机工作原理、工作方式及其控制方法,设计 PLC 控制系统,要求 实现: ① 在步进电机的单四拍、双四拍、单双八拍工作方式中至少选择一种工作方式进行控制。 ② 能够实现步进电机的起动和停止、正转和反转及改变转速。 (详细控制要求见课程设计指导书) ⑵ 要求用线性化编程和结构化编程两种编程方法来实现该控制逻辑。 在结构化编程中, 同一种通电方式的正反转使用同一个 FC, OB1 中调用同一个 FC 实现正反转控制。 在 2. 说明书撰写要求 内容要求 一般要求包括如下内容: ⑴ 目录 编制课程设计的目录,目录的各级标题按照章节顺序排列,最多列到三级标题即可,如 1.1.1。 ⑵ 引言 课程设计正文前的简短介绍。包括本课题的设计目的、设计的主要过程及主要的设计内容。 ⑶ 电路设计 要求画出 PLC 的输入/输出接线图。 ⑷ PLC 硬件组态 要求列出硬件组态表。 ⑸ PLC 编程元件的地址分配 首先对输入/输出点进行地址分配,然后对其他编程元件也进行地址分配,如位存储器 M,

定时器 T,计数器 C 等。 编程中要使用符号地址,所以在 OB1 中要编辑符号表(包括输入继电器、输出继电器、定时器及位存
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储器(或叫辅助继电器) ,在 FC1 中要编辑变量声明表。 ⑹ 编写控制程序 要求:① 编写线性化程序; ② 在结构化编程中分别编制 OB1 和 FC1; ③ 在程序段中添加注释。 ⑺ 程序调试说明 对设计中遇到的主要问题及解决方法、 调试过程及方法、 在调试过程中对对原设计程序做了哪些有 意义的改进及调试的结果几方面进行阐述。 ⑻ 结束语 对本课程设计进行总结,写出设计中的体会。 ⑼ 主要参考文献 写出完成设计任务过程中参考的主要参考文献,注意参考文献的格式。 格式要求 1. 纸张格式: 要求统一用 A4 纸打印, 页面设置上空 2.5cm, 下空 2.0cm, 左空 2.5cm, 右空 2.0cm) : 2. 正文层次:正文内容层次序号为:1、1.1、1.1.1……,其中 ⑴.正文标题;一级标题 1.(黑体小 2 号加粗) ,二级标题 1.1(黑体小三号) ,三极标题 1.1.1(黑 体小四号) 。 ⑵.正文内容格式:宋体五号,1.25 倍行距。 3. 参考文献格式:参考文献不少于 5 个,并应按文献号、作者、文献题名、出版地:出版社和出 版年等顺序书写。如:[1] 戴军,袁惠新.膜技术在含油废水处理中的应用.膜科学与技术,2002. 4. 图表要求:所有曲线、图表、线路图、流程图、程序框图、示意图等不准徒手画,必须采用计 算机辅助绘图。图序及图名置于图的下方;表序及表名置于表的上方;图表一律采用采用阿拉伯数字连 续编号。 装订顺序 设计报告按照如下顺序装订: 封面—任务书—目录—正文—参考文献—评分表。

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前 言
可编程控制器是电气控制技术中的关键技术。 《可编程控制器》为“自动化和电气工程及其自动化” 专业的一门重要专业课。 通过本课程的学习, 使学生掌握工厂电气控制设备技术和可编程控制器的使用、 分析和设计自动生产过程中的控制电路,掌握其使用方法。 课程设计以培养工程应用能力为主, 在独立完成设计任务的同时, 还要进行诸方面能力的培养和提 高,为毕业设计打下良好的基础。这些能力包括: 独立工作能力; 综合运用所学过的基础知识和专业知识,提高解决工程应用问题的能力; 运用各种现代化手段,获取相关资料的能力; 调试程序的能力; 工程绘图的能力; 编写技术资料的能力; 创新能力。 PLC 课程设计的主要目的,是通过对某个简单的自动化生产设备、某条简单的自动化生产线、某 些简单的工艺过程的调查研究,使学生明确生产工艺对电气控制提出的各项要求。根据这些要求,进行 PLC 控制系统的原理设计、硬件配置及软件编程设计。通过不断地调试和完善程序来满足生产工艺的 要求。 本课程设计提供了设计的备选课题。通过课程设计,使学生进一步熟悉 PLC 控制系统的应用,并 培养学生决实际问题的能力,掌握系统设计的思路及方法。

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目录
目录 .......................................................................................................................................................................5 第 1 章 引言 .........................................................................................................................................................6 1.1 设计目的 ...............................................................................................................................................6 1.2 任务描述 ...............................................................................................................................................6 1.3 控制要求 ................................................................................................................................................9 第 2 章 电路设计 ...............................................................................................................................................10 2.1 PLC 的输入输出接线图 ......................................................................................................................10 第 3 章 PLC 硬件组态 ........................................................................................................................................ 11 第 4 章 PLC 编程元件地址分配表 ....................................................................................................................12 4.1 线性化编程符号表 .............................................................................................................................12 4.2 结构化编程符号表 .............................................................................................................................12 4.3 结构化编程 FC1 的变量声明表 .........................................................................................................12 第 5 章 控制程序 ...............................................................................................................................................13 5.1 线性化编程 ...........................................................................................................................................13 5.2 结构化编程 ...........................................................................................................................................20 5.2.1 OB1 控制程序 ...........................................................................................................................20 5.2.2 FC1 控制程序 ............................................................................................................................23 第 6 章 程序调试说明 .......................................................................................................................................25 第 7 章 结束语 ...................................................................................................................................................26

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第 1 章 引言
1.1 设计目的
⑴ 了解步进电机的工作原理及步进电机的开环控制原理。 ⑵ 综合应用所学 PLC 知识设计基于 PLC 的步进电机开环控制系统; ⑶ 通过自行编程调试掌握 PLC 控制系统的设计方法。

1.2 任务描述
⑴ 步进电机原理简述 步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械角位移的机电元件, 每一个脉冲信号可以使步进电机 前进一步, 转过的角度与控制脉冲的个数呈严格的正比关系。 其运行速度与控制脉冲频率呈严格的正比 关系,正是这个特点,使其可以和现代数字控制技术相结合,成为比较理想的执行元件。步进电机主要 应用于开环位置控制系统中。目前步进电机在数控机床、计算机外围设备、钟表、包装机械、食品机械 中得到广泛的应用。 步进电机由定子和转子两部分组成。以二相步进电机为例,定子上有两组相对的磁极,每对磁极缠有同 一绕组,形成一相。定子和转子上分布着大小、间距相同的多个小齿。当步进电机某一相通电形成磁场 后,在电磁力的作用下,转子被强行推动到最大磁导率(或最小磁阻)的位置。步进电机接收到一个脉 冲信号,就驱动步进电机转过一个步距角θ,对于一个 m 相 n 拍的步进电机来说,每走完 n 拍,转子就 转过一个齿距角φ,所以齿距角φ与步距角θ的关系为:

θ=

φ
n

=

360 转子齿数 × n

从控制原理上,步进电机可以分为反应式、永磁式和混合式步进电机三大类;按照控制绕组的相数可以 分为两相、三相、四相……。 ⑵ 本设计中涉及到的步进电机主要参数 ① 相数:产生不同对极 N、S 磁场的激磁线圈对数,用m表示。 ② 拍数:完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态,或指步进电机走过一个齿距角所需脉 冲数,用n表示。 ③ 齿距角:步进电动机的转子上均匀地分布着许多小齿,相邻两个小齿的中心线间的角度称为齿 距角,用φ表示。 ④步距角:对应一个脉冲信号,步进电机转过的角位移,用θ表示。 ⑶ 本设计中用到的步进电机
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本设计中用到的步进电机为两相步进电机。该步进电机转子共有 50 个齿,所以齿距角为 7.2°。电机 每相电流为 0.2A,相电压为 5V。 ⑷ 步进电机驱动电路

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图 1 步进电动机驱动电路

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图中 TL1~TL6 对应的是面板上的插孔。 图中标注的 A 及 A , 及 B 分别表示步进电机的定子的两相 B 绕组的四个端子。 ⑸ 两相步进电机的通电方式: ①单四拍通电方式:每次只有一相绕组通电,四拍构成一定循环。两相绕组按照 A—B— A — B —A 的 次序轮流通电。每拍转子转动 1 转子齿距。

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② 双四拍通电方式:每次有两相绕组同时通电,两相控制绕组按 AB—B A — A B — B A—AB 的次序轮 流通电。每拍转子转动的角度与单四拍相等都是 1 转子齿距,但与单四拍的空间定位不重合。

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③ 单、 双八拍的通电方式: 上两种通电方式的循环拍数等于 4, 称为满步通电方式。 若通电方式等于 8, 称为半步通电方式,即按 A—AB—B—B A — A — A B — B — B A—A 的次序通电。每拍转子转动 1 转

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子齿距。 ⑹ 在上述通电方式中,改变通电的循环方向即可改变步进电机的转动方向,改变通电的频率,即可改 变步进电机的转速。

1.3 控制要求
⑴ 能够实现步进电机的起动和停止、正转和反转及改变转速。 ⑵ 能够实现步进电机的单四拍、双四拍、单双八拍运行。 ⑶ 当按下按钮 SB1 时,步进电机以单四拍方式和 500MS/步的频率顺时针方向运行 30 步后停止; 当按下按钮 SB2 时,步进电机以单四拍方式和 500MS/步的频率逆时针方向运行 30 步后停止; 当按下按钮 SB3 时,步进电机以双四拍方式和 500MS/步的频率顺时针方向运行 30 步后停止; 当按下按钮 SB4 时,步进电机以双四拍方式和 500MS/步的频率和逆时针方向运行 30 步后停止; 当按下按钮 SB5 时,步进电机以单双八拍方式和 500MS/步的频率顺时针方向运行 30 步后停止; 当按下按钮 SB6 时,步进电机以单双八拍方式和 500MS/步的频率逆时针方向运行 30 步后停止; 任何时刻按下按钮 SB7,步进电机停止。

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第 2 章 电路设计
2.1 PLC 的输入输出接线图

图 1 控制两相步进电动机正反转控制线路接线图

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第 3 章 PLC 硬件组态

PLC 的硬件组态如表 1 所示:

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第 4 章 PLC 编程元件地址分配表
4.1 线性化编程符号表
PLC 线性化编程符号表如表 2 所示:

4.2 结构化编程符号表
PLC 结构化编程符号表如表 3 所示:

4.3 结构化编程 FC1 的变量声明表
PLC 结构化编程 FC1 的变量声明表如表 4 所示:

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第 5 章 控制程序
5.1 线性化编程 线性化编程
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步进电动机的线性化程序如下所示:

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5.2 结构化编程 结构化编程
5.2.1 OB1 控制程序
步进电机的结构化程序的 OB1 程序如下所示:

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5.2.2 FC1 控制程序
步进电机的结构化程序的 FC1 程序如下所示:

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第 6 章 程序调试说明
在程序设计及调试过程中的几点说明如下: 1.在线性化编程中,PLC 的输入口不能直接控制两种 PLC 输出口的循环通电方式。 解决方法:可通过位存储器如 M4.0 和 M5.0 来间接控制 PLC 输出口的不同通电方式。 2.在结构化编程 FC1 的程序设计中,使用 PLC 输出口本身的通电状态来控制 PLC 输出口的循 电,这是本次程序设计的一大改进,使程序设计更简单易懂。 3.在控制步进电动机的正反转的控制程序中可以加入开关互锁来使电机的正反转控制可以 直接切换。 环通

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第 7 章 结束语
PLC 是以微处理器为核心,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用工 业自动化控制装置。它具有体积小、功能强、灵活通用及维护方便等一系列优点。在本次课程设计中, 用 PLC 来控制步进电动机的正反转等运动正好体现了 PLC 的这一特点。 而不同的程序设计思想可以达到 相同的控制效果,这给了设计者很大的空间来设计出高效合适的程序。同时 PLC 内部含有的位存储器、 定时器、 计数器等也为 PLC 完成复杂的功能提供了基础。 所以 PLC 在工业控制方面具有很大的发展空间。

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参考文献( 参考文献(参考文献不少于
顺序书写)

5 个,并应按文献号、作者、文献题名、出版地:出版社和出版年等

[1] 胡建. 西门子 S7-300 PLC 应用教程.北京: 机械工业出版社.2008 年 [2] 杜从商.可编程控制器.北京:机械工业出版社.2010 年 [3] (日)坂本正文,王自强(译).步进电机应用技术.北京:科学出版社.2010 年 [4] 王庭友.可编程控制器原理及应用.北京:国防工业出版社.2005 年 [5] 郑阿奇.PLC(西门子)实用教程.北京:电子工业出版社. 2009 年

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课程设计评分表
评 分 项 目 1.选题合理、目的明确(10 分) 2.设计方案正确,具有可行性、创新性(30 分) 3.项目工艺水平及测试性能达到技术要求(25 分) 4.参考文摘不少于 5 篇(10 分) 5.答辩(25 分) 总 分(100 分) 评分成绩

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答辩记录:

指导教师综合评语:

指导教师(签名) 日 期: 年 月 日

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