机电传动与控制综合课程设计设计说明书设计题目: 五相十拍（2/3）步进电机控制程序设计院系名称：机电工程学院专业班级：机制F09 学生姓名：学号： ********指导教师：***2012年12 月05 日内容摘要本文主要是介绍采用可编程控制器(PLC) 对五相十拍步进电机进行控制的设计原理及方法进行分析。
其中步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点，是一种控制精度极高的电机,常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。
可编程控制器是工业自动化设备的主导产品，具有控制功能强，可靠性高，适用于不同控制要求的各种控制对象等优点。
本文详细的介绍了用PLC控制步进电机系统的原理，及硬件和软件设计方法。
其内容主要包括I/O地址分配、PIC外部接线图、控制流程图、主电路图、梯形图、元件清单以及语句表。
本文设计过程中使用了十六位移位寄存器，大大简化了程序的设计，使程序更间凑，方便了设计。
在实际应用中表明此设计是合理有效的。
关键词: PLC;梯形图；元件清单；五相十拍步进电机目录第1章引言 (1)第2章系统总体方案设计 (2)2.1 程序设计的基本思路 (2)2.2 五相步进电动机的控制要求 (2)2.3 方案原理分析 (2)第3章 PLC控制系统设计 (4)3.1 设计流程分析 (4)3.1.1 控制流程图 (4)3.1.2电机工作过程图 (5)3.2 I/O地址分配表 (5)3.3 PLC外部接线图 (6)3.4 主电路 (7)3.5 元件清单 (8)3.6 程序设计 (8)3.6.1 步进控制设计 (8)3.6.2 梯形图设计 (10)3.7 调试说明 (11)第4章设计总结 (12)致谢 (13)参考文献 (14)附录 (15)附录一程序梯形图 (15)附录二程序语句表 (20)第1章引言步进电机作为执行元件，是电气自动化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。
步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点，所以常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。
目前，比较典型的控制方法是用单片机产生脉冲序列来控制步进电机。
但采用单片机控制，不仅要设计复杂的控制程序和I/O接口电路，实现比较麻烦。
基于PLC控制的步进电动机具有设计简单，实现方便，参数设计置灵活等优点。
步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。
矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。
改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。
对五相十拍步进电机的控制，主要分为两个方面：五相绕组的接通与断开顺序控制。
正转顺序：ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB 反转顺序：ABC ←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB以及每个步距角的行进速度。
围绕这两个主要方面，可提出具体的控制要求如下：1、可正转或反转；2、运行过程中，步进三种速度可分为高速（0.05S），中速（0.3S）,低速（0.5S）三档，并可随时手控变速；由于CPU对程序的串行扫描工作方式，会造成输入输出的滞后，而由扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个扫描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。
因此，在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑。
另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。
以移位寄存器指令为步进控制的主体进行程序设计，可较好的满足上述设计要求。
下面介绍一种基于PLC的步进电机控制的方法。
第2章系统总体方案设计2.1 程序设计的基本思路由于CPU对程序的串行扫描工作方式，会造成输入输出的滞后，而由扫描方式引起的滞后时间，最长可达两个扫描周期，程序越长，这种滞后越明显，则控制精度就越低。
因此，在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑。
另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。
以移位寄存器指令为步进控制的主体进行程序设计，可较好的满足上述设计要求。
2.2 五相步进电动机的控制要求1．五相步进电动机有五个绕组: A、B、C、D、E ,正转顺序: ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB反转顺序: ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB2．用五个开关控制其工作：1 号开关控制其运行( 启/ 停)。
2 号开关控制其低速运行(转过一个步距角需0.5 秒)。
3 号开关控制其中速运行(转过一个步距角需0.1 秒)。
4 号开关控制其低速运行(转过一个步距角需0.03 秒)。
5 号开关控制其转向( ON 为正转，OFF 为反转)。
2.3 方案原理分析在对五相十拍步进电机的控制中，主要分为两个方面：五相绕组的接通与断开顺序控制以及正反向调节和调速功能。
正转顺序：ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB反转顺序：ABC←BC←BCD←CD←CDE←DE←DEA←EA←EAB←AB五相步进电动机有五个绕组：A、B、C、D、E，控制步进电动机五相十拍的时序图如图2-1所示。
（a）步进电动机五相十拍正转时序图（b）步进电动机五相十拍反转时序图图2-1 控制步进电动机五相十拍的时序图2.4.1方案一：每种速度调节均利用十个定时器实现其绕组延时通断，从而实现步进电动机的步进要求。
在换向时，同样计时器可以完成相应的计时工作，以满足设计要求。
2.4.2方案二：利用移位寄存器进行脉冲输入控制，利用计数器和移位寄存器进行相应的计时，以满足不同的步进速度，从而实现速度可调的要求。
通过不同的通电顺序控制，实现电动机的正反转控制。
在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑。
另一方面，同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，此时，要求程序修改方便、简单，即要求程序有较好的柔性。
经分析和指导老师的建议最终决定选择方案二，计时更加方便，所用的原件数大大减少，使控制更加可靠安全。
第3章 PLC控制系统设计3.1 设计流程分析3.1.1 控制流程图图3-1 控制流程图由于上述具体控制要求，可作出步进电机在运行时的程序框图，如图3—1所示。
以工作框图为基本依据，结合考虑控制的具体要求，首先可将梯形图程序分为4个模块进行编程，即模块1：步进速度选择；模块2：起动、停止；模块3：正转、反转；模块4：移位控制功能模块；模块:5：A、B、C、D、E五相绕组对象控制。
然后，将各模块进行连接，最后经过调试、完善、实现控制要求.3.1.2电机工作过程图五台电动机采用五相十拍作顺序循环控制，电机的工作过程如下图所示。
图3-2 电机工作过程图3.2 I/O地址分配表控制信号信号名称元件名称元件符号地址编码输入信号启/停控制常开按钮SB1 I0.0 低速调速常开按钮SB2 I0.1 中速调速常开按钮SB3 I0.2 高速调速常开按钮SB4 I0.3 正/反转控制单刀双制开关QS I0.4输出信号输出端子A端子 A Q0.0 输出端子B端子 B Q0.1 输出端子C端子 C Q0.2 输出端子D端子 D Q0.3 输出端子E端子 E Q0.43.3 PLC外部接线图PLC外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求来设定。
根据上图的I/O分配表通过查阅手册选择S7-200 CPU222基本单元（8入/6出）1台步进电动机采用五相十拍控制外部接线图如下图所示：图3-3 外部接线图3.4 主电路主电路中通过交流接触器实现换向功能，分别闭合主触电KM1、KM2实现正反转换向。
当然，对于步进电动机通过通电顺序的不同可以实现其正反转控制。
图3-4 步进电机正反转控制主电路3.5 元件清单表3-2 元件清单3.6 程序设计3.6.1 步进控制设计采用移位指令进行步进控制。
首先指定移位寄存器MW0，按照五相十拍的步进顺序，移位寄存器的初值见表3-3。
表3-3 移位寄存器初值每右移1位，电机前进一个布局角（一拍），完成十拍后重新赋初值。
其中M1.2、M1.3、M1.4、M1.5、M1.6和M1.7始终为“0”。
据此，可作出移位寄存器输出状态及步进电机正反转绕组的状态真值表，如表3-4、3-5所示。
从而得出五相绕组的控制逻辑关系式：正转时:A相Q0.0=M1.1+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0B相Q0.1=M1.1+M1.0+M0.7+M0.1+M0.0C 相Q0.2=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.5D相Q0.3=M0.7+M0.6+M0.5+M0.4+M0.3E相Q0.4= M0.5+M0.4+M0.3+M0.2+M0.1反转时:A相Q0.0=M1.1+M1.0+M0.7+M0.6+M0.0B相Q0.1=M1.1+M1.0+M0.2+M0.1+M0.0C相Q0.2=M0.4+M0.3+M0.2+M0.1+M0.0D相Q0.3=M0.6+M0.5+M0.4+M0.3+M0.2E相Q0.4=M1.0 +M0.7+M0.6+M0.5+M0.4表3-4 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（正转）表3-5 移位寄存器输出状态及步进电机绕组状态真值表（反转）3.6.2 梯形图设计启停使用单按钮控制。
梯形图设计如下，首先，按SB2(SB3或SB4)初次选择一种步进速度，五相步进电动机的速度由定时器T33控制，把三个值50、10、3分别送到VW100可得到低速、中速、高速三种速度。
再按SB1(I0.0)，M2.0得电，移位寄存器赋初值，电机开始转动，且定时器开始计时，到设定值时，T33得电动作，移位寄存器值右移一位，C1计数一次，然后T33重新计时。
计数十次后动作C1使移位寄存器重新赋值，依次循环。
QS控制正反转，ON时I0.4得电，五相步进电动机正转，OFF时 I0.4失电五相步进电动机为反转。
再按一下SB1，C0动作，M2.0失电，C1复位电机停止转动。
梯形图是PLC编程的高级语言,所有PLC厂家的PLC产品均支持梯形图语言编程。
利用梯形图编程器可以建立与电气原理图相类似的程序,具有梯级或网络段结构,有利于程序的阅读理解、运行调试和修正很容易被PLC编程人员和维护人员接受和掌握。
鉴于这个原因，在此次课程设计中选择用PLC梯形图语言进行程序编写，使可视化程度更好。
（具体程序梯形图见附录一）虽然梯形图易于掌握、结构简便，但梯形图不能被PLC识别，无法在PLC中直接运行，把梯形图通过人工编译的方式转换为语句表又较为复杂。