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摘 要 隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，它廣泛用于打印機、電動玩具等消費類產(chǎn)品以及數(shù)控機床、工業(yè)機器人、醫(yī)療器械等機電產(chǎn)品中，其在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。研究步進電機的控制系統(tǒng)，對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。 步進電機是將電脈沖信號變換成機械角位移的一種裝置，每個脈沖使轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量，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。 步進電機的控制方式簡單，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，是實現(xiàn)電機一體化的有力工具，因此基于PLC的步進電機控制技術(shù)已廣泛用于數(shù)字定位控制中。 本控制系統(tǒng)的設(shè)計，由硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分組成。其中，硬件設(shè)計主要包括步進電機的工作原理、步進電機的驅(qū)動電路設(shè)計、PLC的輸入輸出特性、PLC的外圍電路設(shè)計以及PLC與步進電機的連接與匹配等問題的實現(xiàn)。軟件設(shè)計包括主程序以及各個模塊的控制程序，最終實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)動速度的控制。本系統(tǒng)具有智能性、實用性及可靠性的特點。 本文主要介紹了西門子S7-200在步進電機控制方面的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞： 步進電機、PLC、西門子S7-200 目錄 1.概述 1 2.硬件設(shè)計 2 2.1控制要求 2 2.2選擇PLC型號 2 2.2.1 I/O點數(shù)的估計 3 2.2.2 用戶存儲器容量的估算 3 2.2.3 CPU功能與結(jié)構(gòu)的選擇 3 2.2.4機型選擇 4 2.3 系統(tǒng)設(shè)計流程示意圖 4 2.4 I/O分配表 5 2.5 I/O接線圖 5 3.軟件設(shè)計 6 3.1設(shè)計梯形圖 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)計指令表 8 4.調(diào)試 10 5.結(jié)束語 11 6.參考文獻 12 1.概述 在電氣信息時代的今天，電動機一直在現(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機。因此對電動機的控制變得越來越重要了。電動機的控制技術(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)、自動控制技術(shù)、微機應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進步使電動機控制技術(shù)化。 步進電機是機電控制中一種常用的執(zhí)行機構(gòu)，其原理是通過對它每相線圈中的電流和順序切換來使電機作步進式旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動電路由脈沖信號來控制，所以調(diào)節(jié)脈沖信號的頻率便可改變步進電機的轉(zhuǎn)速。通俗地說：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(及步進角)。通過控制脈沖個數(shù)即可以控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的。同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 PLC全稱可編程控制器，是在電器控制技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成為以微機處理器為核心，把自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制裝置。隨著PLC性價比的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域還將不斷擴大。 PLC對步進電機具有良好的控制能力,利用其高速脈沖輸出功能或運動控制功能,即可實現(xiàn)對步進電機的控制。利用PLC控制步進電機,其脈沖分配可以由軟件實現(xiàn),也可由硬件組成。 2.硬件設(shè)計 2.1控制要求 在步進電機單元完成本實驗。 使用移位寄存器指令，可以大大簡化程序設(shè)計。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，在移位脈沖作用下，脈沖信號依次移位到各個寄存器的內(nèi)部繼電器中，并將這些內(nèi)部繼電器的狀態(tài)輸出，每個內(nèi)部繼電器可在不同的時間內(nèi)得到由輸入端輸入的一串脈沖信號。 圖2.1 步進電動機控制的模擬實驗面板圖 2.2選擇PLC型號 選擇合適的機型是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場頻隨談基本功能相似，但有些特殊功能、價格、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，不同系列、不同型號的。因此，如何選擇合適的機型至關(guān)重要。 PLC的選擇主要應(yīng)從PLC 的機型、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機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下,力爭最佳的性能價格比。選擇時應(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,機型盡量統(tǒng)一等因素。 2.2.1 I/O點數(shù)的估計 I/O點數(shù)是PLC的一項重要指標(biāo).合理選擇I/O點數(shù)計可使系統(tǒng)滿足控制要求,又可使系統(tǒng)總投資量最低。PLC的輸入輸出總點數(shù)和種類應(yīng)根據(jù)被控對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，一般一個輸入/輸出元件要占用一個輸入/輸出點?？紤]到今后的調(diào)整和擴充，一般應(yīng)在估計的總點數(shù)上再加上20%到30%的備用量。 2.2.2 用戶存儲器容量的估算 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點數(shù)、控制要求、運算處理量、程序結(jié)構(gòu)等。因此在程序設(shè)計之前只能粗略的估算。 2.2.3 CPU功能與結(jié)構(gòu)的選擇 PLC的功能日益強大，一般PLC都具有開關(guān)量邏 輯運算、定時、計數(shù)、數(shù)據(jù)處理等基本功能，有些PLC還可擴展各種特殊功能模塊，如通信模塊、位置控制模塊等，選型時可考慮以下幾點： 1）功能與任務(wù)相適應(yīng) 2）PLC的處理速度應(yīng)滿足實時控制的要求 3）PLC結(jié)構(gòu)合理、機型統(tǒng)一 4）在線編程合理和離線編程的選擇 2.2.4機型選擇 綜上所述，可知本次步進電動機控制的模擬中PLC型號選擇：I/O點數(shù)的統(tǒng)計：輸入1點（SD）；輸出4點（A、B、C、D），控制步進電機。SD為啟動按鈕。估計PLC用戶程序長度：為I/O點數(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)計流程示意圖 圖2.2 系統(tǒng)設(shè)計流程圖 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 3.1設(shè)計梯形圖 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、串并聯(lián)等術(shù)語和類似的圖形符號，并簡化了符號，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蟮摹崟r的、圖形化的編程語言。梯形圖信號流向清楚、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)計指令表 指令語句表（STL）使用助記符來表達PLC的各種控制功能的。它類似于計算機的匯編語言，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。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 步進電機的控制系統(tǒng)由可編程控制器和步進電機功率驅(qū)動器組成，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，控制步進電機的轉(zhuǎn)角；同時通過編程控制脈沖頻率。 在輸入端輸入一串脈沖信號（1000），在移位脈沖作用下，此脈沖信號依次移位（1000-0100-0010-0001-1000-…...）至各個寄存器的內(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），不會循環(huán)移位。 5.結(jié)束語 這次課程設(shè)計我不僅把知識融會貫通，而且豐富了大腦，同時在查找資料的過程中也了解了許多課外知識，開拓了視野，認(rèn)識了將來電子的發(fā)展方向，使自己在專業(yè)知識方面和動手能力方面有了質(zhì)的飛躍。 課程設(shè)計是對學(xué)校所學(xué)知識的全面總結(jié)和綜合應(yīng)用，對所學(xué)知識理論的檢驗與總結(jié)，能夠培養(yǎng)和提高設(shè)計者獨立分析和解決問題的能力。 在不斷的努力下我的課程設(shè)計終于完成了。課程設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次課程設(shè)計使我明白了自己原來知識太理論化了，面對單獨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，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我才明白學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。 不管學(xué)會的還是學(xué)不會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，還得出一個結(jié)論：知識必須通過應(yīng)用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學(xué)會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認(rèn)為只有到真正會用的時候才是真的學(xué)會了。 在設(shè)計過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗和自學(xué)，并向老師請教等方式，使自己學(xué)到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設(shè)計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學(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)計大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設(shè)計做的也不太好，但是在設(shè)計過程中所學(xué)到的東西是這次課程設(shè)計的最大收獲和財富，使我終身受益。 6.參考文獻 [1] 劉順禧. 電氣控制技術(shù). 北京：北京理工大學(xué)出版社,1995 [2] 袁任光. 可編程序控制器(PLC)應(yīng)用技術(shù)與實例. 第2版.廣州：華南理工大學(xué)出版社,2000 [3] 謝劍英. 微型計算機控制技術(shù). 第3版.北京：國防工業(yè)出版社,2001 [4] 西門子公司. 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