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摘 要 隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，它廣泛用于打印機(jī)、電動(dòng)玩具等消費(fèi)類產(chǎn)品以及數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中，其在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。研究步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換成機(jī)械角位移的一種裝置，每個(gè)脈沖使轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量，輸出角位移與輸入脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與輸入脈沖成正比，轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比。 步進(jìn)電機(jī)的控制方式簡單，屬于開環(huán)控制，且無累積定位誤差，有較高的定位精度，而PLC作為一種工業(yè)控制微機(jī)，是實(shí)現(xiàn)電機(jī)一體化的有力工具，因此基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)已廣泛用于數(shù)字定位控制中。 本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。其中，硬件設(shè)計(jì)主要包括步進(jìn)電機(jī)的工作原理、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、PLC的輸入輸出特性、PLC的外圍電路設(shè)計(jì)以及PLC與步進(jìn)電機(jī)的連接與匹配等問題的實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)包括主程序以及各個(gè)模塊的控制程序，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制。本系統(tǒng)具有智能性、實(shí)用性及可靠性的特點(diǎn)。 本文主要介紹了西門子S7-200在步進(jìn)電機(jī)控制方面的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： 步進(jìn)電機(jī)、PLC、西門子S7-200 目錄 1.概述 1 2.硬件設(shè)計(jì) 2 2.1控制要求 2 2.2選擇PLC型號(hào) 2 2.2.1 I/O點(diǎn)數(shù)的估計(jì) 3 2.2.2 用戶存儲(chǔ)器容量的估算 3 2.2.3 CPU功能與結(jié)構(gòu)的選擇 3 2.2.4機(jī)型選擇 4 2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程示意圖 4 2.4 I/O分配表 5 2.5 I/O接線圖 5 3.軟件設(shè)計(jì) 6 3.1設(shè)計(jì)梯形圖 6 3.3.1 梯形圖編程語言概述 6 3.3.2 梯形圖指令程序 6 3.2設(shè)計(jì)指令表 8 4.調(diào)試 10 5.結(jié)束語 11 6.參考文獻(xiàn) 12 1.概述 在電氣信息時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是在日常生活中的家用電器，都大量地使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。因此對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制變得越來越重要了。電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)化。 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其原理是通過對(duì)它每相線圈中的電流和順序切換來使電機(jī)作步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電路由脈沖信號(hào)來控制，所以調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的頻率便可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通俗地說：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(及步進(jìn)角)。通過控制脈沖個(gè)數(shù)即可以控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時(shí)通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 PLC全稱可編程控制器，是在電器控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成為以微機(jī)處理器為核心，把自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制裝置。隨著PLC性價(jià)比的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域還將不斷擴(kuò)大。 PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)具有良好的控制能力,利用其高速脈沖輸出功能或運(yùn)動(dòng)控制功能,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。利用PLC控制步進(jìn)電機(jī),其脈沖分配可以由軟件實(shí)現(xiàn),也可由硬件組成。 2.硬件設(shè)計(jì) 2.1控制要求 在步進(jìn)電機(jī)單元完成本實(shí)驗(yàn)。 使用移位寄存器指令，可以大大簡化程序設(shè)計(jì)。移位寄存器指令所描述的操作過程如下，若在輸入端輸入一串脈沖信號(hào)，在移位脈沖作用下，脈沖信號(hào)依次移位到各個(gè)寄存器的內(nèi)部繼電器中，并將這些內(nèi)部繼電器的狀態(tài)輸出，每個(gè)內(nèi)部繼電器可在不同的時(shí)間內(nèi)得到由輸入端輸入的一串脈沖信號(hào)。 圖2.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的模擬實(shí)驗(yàn)面板圖 2.2選擇PLC型號(hào) 選擇合適的機(jī)型是PLC控制系統(tǒng)硬件配置的關(guān)鍵問題。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)PLC的廠家很多，不同的廠家的PLC場(chǎng)頻隨談基本功能相似，但有些特殊功能、價(jià)格、服務(wù)及使用的編程指令和編程軟件都不同。而同一廠家生產(chǎn)的PLC產(chǎn)品又有不同的系列，同一系列中又有不同的CPU型號(hào)，不同系列、不同型號(hào)的。因此，如何選擇合適的機(jī)型至關(guān)重要。 PLC的選擇主要應(yīng)從PLC 的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。PLC機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下,力爭最佳的性能價(jià)格比。選擇時(shí)應(yīng)主要考慮到合理的結(jié)構(gòu)型式,安裝方式的選擇,相應(yīng)的功能要求,響應(yīng)速度要求,系統(tǒng)可靠性的要求,機(jī)型盡量統(tǒng)一等因素。 2.2.1 I/O點(diǎn)數(shù)的估計(jì) I/O點(diǎn)數(shù)是PLC的一項(xiàng)重要指標(biāo).合理選擇I/O點(diǎn)數(shù)計(jì)可使系統(tǒng)滿足控制要求,又可使系統(tǒng)總投資量最低。PLC的輸入輸出總點(diǎn)數(shù)和種類應(yīng)根據(jù)被控對(duì)象所需控制的模擬量、開關(guān)量等輸入/輸出設(shè)備情況來確定，一般一個(gè)輸入/輸出元件要占用一個(gè)輸入/輸出點(diǎn)?？紤]到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，一般應(yīng)在估計(jì)的總點(diǎn)數(shù)上再加上20%到30%的備用量。 2.2.2 用戶存儲(chǔ)器容量的估算 PLC常用的內(nèi)存有EPROM、EEPROM和帶鋰電池供電的RAM。一般微型和小型PLC的存儲(chǔ)容量是固定的，介于1-2KB之間。用戶應(yīng)用程序占用多少內(nèi)存與許多因素有關(guān)，如I/O點(diǎn)數(shù)、控制要求、運(yùn)算處理量、程序結(jié)構(gòu)等。因此在程序設(shè)計(jì)之前只能粗略的估算。 2.2.3 CPU功能與結(jié)構(gòu)的選擇 PLC的功能日益強(qiáng)大，一般PLC都具有開關(guān)量邏 輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)處理等基本功能，有些PLC還可擴(kuò)展各種特殊功能模塊，如通信模塊、位置控制模塊等，選型時(shí)可考慮以下幾點(diǎn)： 1）功能與任務(wù)相適應(yīng) 2）PLC的處理速度應(yīng)滿足實(shí)時(shí)控制的要求 3）PLC結(jié)構(gòu)合理、機(jī)型統(tǒng)一 4）在線編程合理和離線編程的選擇 2.2.4機(jī)型選擇 綜上所述，可知本次步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的模擬中PLC型號(hào)選擇：I/O點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì)：輸入1點(diǎn)（SD）；輸出4點(diǎn)（A、B、C、D），控制步進(jìn)電機(jī)。SD為啟動(dòng)按鈕。估計(jì)PLC用戶程序長度：為I/O點(diǎn)數(shù)的（10-20）倍，選用S7-200 CPU226 CN AC/DC/RLY輸出的PLC即能滿足要求。 2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程示意圖 圖2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 2.4 I/O分配表 表2.1 I/O分配表 2.5 I/O接線圖 圖2.3 I/O接線圖 3.軟件設(shè)計(jì) 3.1設(shè)計(jì)梯形圖 3.3.1 梯形圖編程語言概述 梯形圖(LAD)是與電氣控制電路圖相呼應(yīng)的圖形語言。它沿用了繼電器、觸點(diǎn)、串并聯(lián)等術(shù)語和類似的圖形符號(hào)，并簡化了符號(hào)，還增加了一些功能性的指令。梯形圖是融邏輯操作、控制于一體，面向?qū)ο蟮?、?shí)時(shí)的、圖形化的編程語言。梯形圖信號(hào)流向清楚、簡單、直觀、易懂，很適合電氣工程人員使用。梯形圖（LAD）在PLC中使用得非常普遍，通常各廠家，各型號(hào)PLC都把它作為第一用戶語言。 3.3.2 梯形圖指令程序 3.2設(shè)計(jì)指令表 指令語句表（STL）使用助記符來表達(dá)PLC的各種控制功能的。它類似于計(jì)算機(jī)的匯編語言，但比匯編語言直觀易懂，編程簡單，因此也是應(yīng)用很廣泛的一種編程語言。這種編程語言可使用簡易編程器編程，但比較抽象，一般于梯形圖語言配合使用，互為互補(bǔ)。目前，大多數(shù)PLC都有語句表編程功能，但各廠家生產(chǎn)PLC的語句表（STL）所用的助記符互不相同，不能兼容。 Network 1 // 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)題 LD T40 EU SHRB M0.0, M20.0, +4 Network 2 LD M20.4 ON I0.0 R M20.0, 4 Network 3 LD M20.3 ON I0.0 R M0.1, 1 Network 4 LD M20.0 S M0.1, 1 Network 5 LD I0.0 AN M0.1 = M0.0 Network 6 LD I0.0 AN T41 TON T40, +1 Network 7 LD T40 TON T41, +1 Network 8 LD M20.0 = Q0.0 Network 9 LD M20.1 = Q0.1 Network 10 LD M20.2 = Q0.2 Network 11 LD M20.3 = Q0.3 4.調(diào)試 步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)由可編程控制器和步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)器組成，控制系統(tǒng)中PLC用來產(chǎn)生控制脈沖；通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角；同時(shí)通過編程控制脈沖頻率。 在輸入端輸入一串脈沖信號(hào)（1000），在移位脈沖作用下，此脈沖信號(hào)依次移位（1000-0100-0010-0001-1000-…...）至各個(gè)寄存器的內(nèi)部繼電器（Q0.0-Q0.1-Q0.2-Q0.3-Q0.0-……）中，并將這些內(nèi)部繼電器的狀態(tài)輸出（LED燈A亮-B亮-C亮-D亮-A亮-……）。 若將梯形圖網(wǎng)絡(luò)三中復(fù)位指令的指令操作數(shù)M0.1改為M0.2或M0.3，各個(gè)寄存器的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)輸出將發(fā)生改變（1000-0100-0010-0001，即A亮-B亮-C亮-D亮），不會(huì)循環(huán)移位； 若將梯形圖網(wǎng)絡(luò)四中置位指令的指令操作數(shù)M0.1改為M0.2或M0.3，各個(gè)寄存器的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)輸出將發(fā)生改變（1000-1100-1110-1111，即A亮-AB亮-ABC亮-ABCD亮），不會(huì)循環(huán)移位。 5.結(jié)束語 這次課程設(shè)計(jì)我不僅把知識(shí)融會(huì)貫通，而且豐富了大腦，同時(shí)在查找資料的過程中也了解了許多課外知識(shí)，開拓了視野，認(rèn)識(shí)了將來電子的發(fā)展方向，使自己在專業(yè)知識(shí)方面和動(dòng)手能力方面有了質(zhì)的飛躍。 課程設(shè)計(jì)是對(duì)學(xué)校所學(xué)知識(shí)的全面總結(jié)和綜合應(yīng)用，對(duì)所學(xué)知識(shí)理論的檢驗(yàn)與總結(jié)，能夠培養(yǎng)和提高設(shè)計(jì)者獨(dú)立分析和解決問題的能力。 在不斷的努力下我的課程設(shè)計(jì)終于完成了。課程設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。通過這次課程設(shè)計(jì)使我明白了自己原來知識(shí)太理論化了，面對(duì)單獨(dú)的課題的是感覺很茫然。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會(huì)，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。 不管學(xué)會(huì)的還是學(xué)不會(huì)的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負(fù)的感覺。此外，還得出一個(gè)結(jié)論：知識(shí)必須通過應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值！有些東西以為學(xué)會(huì)了，但真正到用的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認(rèn)為只有到真正會(huì)用的時(shí)候才是真的學(xué)會(huì)了。 在設(shè)計(jì)過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請(qǐng)教等方式，使自己學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。 總之，通過這次課程設(shè)計(jì)大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)做的也不太好，但是在設(shè)計(jì)過程中所學(xué)到的東西是這次課程設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。 6.參考文獻(xiàn) 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