2014 ~ 2015 学年第 1 学期《电气控制及PLC 》课程设计报告题目：步进电机的PLC控制设计专业：自动化班级： 11自动化(1)班姓名：李勇李亚李新明荆欢贾伟黄龙飞皇甫趁心指导教师：***电气工程学院2014年10月31日1、任务书摘要步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。

步进电机作为制执行元件，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。

例如，在仪器仪表，机床设备以及计算机的外围设备中（如打印机和绘图仪等），凡需要对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

软件PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、网络通信、PID调节等功能，通过一个多任务控制内核，提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和可连接各种I/O系统的及网络的开放式结构。

用PLC控制步进电机的定位、转向、调速、细分有很大的优势与前景。

此次设计是利用PLC 的控制方法，上位机的监控功能，在试验室进行模拟实现的。

试验结果达到了预期的功能。

关键词：软PLC；步进电机；上位机；定位；转向；调速；细分目录1引言 02.方案论证与对比 02.1 方案一 02.2 方案二 02.3 方案对比与选择 (1)3、系统设计 (1)3.1 PLC内部原理 (1)3.2 二相混合式步进电机工作原理 (3)3.3 驱动器原理 (4)3.4硬件与软件设计 (4)4、组态的设计 (6)4.1 I/O 口的定义 (6)4.2 构造数据库 (6)4.3 建立动画连接 (7)5、系统功能调试与性能分析 (7)5.1系统调试中的问题及解决方案 (7)5.1.1软件调试 (7)5.1.2、正反转未响应 (8)5.1.3、定位的误差 (8)5.1.4、组态设计中的问题 (8)5.1.5、其它 (8)6、详细仪器清单 (8)7、总结与致谢 (8)参考文献 (10)附录一梯形图 (11)附录二源程序 (13)1引言步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的执行机构。

由于受脉冲的控制,其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比,通过控制脉冲数量来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的;通过改变通电顺序,从而达到改变电机旋转方向的目的。

步进电机是机电一体化的关键产品，广泛应用于各种自动化控制系统和机电一体化设备中。

随着微电子技术和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各行各业都得到了广泛的应用。

可编程逻辑控制器Programmable logic Controller（通常称为PLC）是一种工业控制计算机，具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能，能充分适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高，是目前广泛应用的控制装置之一，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。

利用PLC控制步进电机，其脉冲分配可以有软件实现，也可由硬件组成。

软件PLC（SoftPLC，也称为软逻辑SoftLogic）是一种基于基于PC机开发结构的控制系统，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可以将标准的工业PC转换成全功能的PLC过程控制器。

软件PLC提供了与硬PLC同样的功能，同时又提供了PC环境的各种优点。

本文中，我们将对软PLC 进行综述，对采用PLC来进行步进电机的设计研究进行介绍。

并以三菱的FN2系列的PLC为例，讨论步进电机的PLC控制系统的硬件和软件设计方法，以及利用组态设计，通过上位机进行监控与PLC进行通信，从而实现对系统的控制。

2.方案论证与对比2.1 方案一步进电机的控制方式采用开环控制方式，即步进电机驱动系统的输入脉冲不依赖与转子的位置,而是事先按一定规律给定的。

负载位置对控制电路没有反馈,因此步进电机必须正确的响应每次励磁变化。

图2.1 步进电机开环控制框图2.2 方案二闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度,然后通过反馈和适当的处理,自动给出脉冲链,使步进电机每一步都响应控制信号的命令,从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。

图2.2 步进电机闭环控制框图2.3 方案对比与选择通过对比，步进电机的最显著的优势是不需要位置反馈信号就能够进行精确的位置控制。

这种开环控制形式省去了昂贵的位置传感器件，只需对输入指令脉冲信号计数，就能知道电机的位置。

在开环控制系统中，电机响应走步指令后的实际运行情况，控制系统是无法预测和监视的。

在一些运行速度范围宽、负载大小变化频繁的场合，步进电机容易失步，而使整个系统趋于失控。

这时候，可以对步进电机进行位置闭环控制。

控制系统对电动机转子位置进行检测，并将信号反馈至控制单元，使得系统对步进电机发出的走步命令，只有得到相应实际位置响应后，方告完成。

因此，闭环控制的最基本任务是防止步进电机失步。

闭环控制的励磁延时设置随负载而变化，它能产生接近最佳的速度曲线和快速的负载定位。

并且一般采用直接监视负载位置的方法，因此发生失步的可能性大大减小。

但在本实验中因为要求不是很高，所以只要采取最简单的开环控制系统，用来实现步进电动机的正转、反转、加速、减速、定位。

3、系统设计3.1 PLC内部原理可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。

通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。

可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。

这种计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。

PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一至。

如图3.1a PLC硬件的基本结构图所示：图3.1 PLC硬件的基本结构图根据设计要求系统的I/O分配表如下：表 1 I/O分配表3.2 二相混合式步进电机工作原理二相步进电机有2个绕组，当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到→B→A A→B B四个状态此磁极处。

若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向按照A A B→B时，电机就周而复始进行变化，电机科顺时针转动；通电顺序为A A→B B→A A B逆时针转动。

步进电机是一种将电子数字脉冲信号转变为机械运动的电磁增量运动器件。

典型的电机绕组固定在定子上，而转子则由硬磁或软磁材料组成。

当控制系统将一个电脉冲信号经功率装置加到定子绕组中，电机便会沿一定的方向旋转一步。

脉冲的频率决定电机的转速。

电机转动的角度与所输入的电脉冲个数成正比；因此，只要简单地改变输入脉冲的数目，就能控制步进电机的转子运行角度，从而达到位置控制的目的。

步进电机有以下特点：（1）运行角度正比于输入脉冲，便于开环运行，花费少；（2）具有锁定转矩；（3）定位精度高，并且没有累积误差；（4）具有优良的起动、停止、反转响应；（5）无电刷和可靠性高；（6）可低速运行，直接驱动负载；（7）不适宜的控制会引起振动；（8）不宜运行于高速状态。

图3.2二相图步进电机内部原理图3.3 驱动器原理步进电机必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。

图3.3a 开环步进电动机控制系统框图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。

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。

图3.3b步进电机驱动控制电路硬件连接框图图中I1.0、I1.1和I1.5为输入控制信号端;Q0.0和Q0.1为两路高速脉冲，分别负责驱动电机开启定位和停止控制。

3.4硬件与软件设计步进电机电机的PLC控制系统是要求用由PLC控制器、二相混合式步进电机、细分驱动器等器件组成，此外应设计要求要利用上位机进行监控，所以要用到上位机。

根据设计要求该系统要实现对步进电机的速度、方向、定位、细分等控制功能，要设计相应的程序才能使之实现，而快速与慢速、以及定位功能的实现都是靠PLC发出的高速脉冲来控制的，改变脉冲的宽度即频率来实现快慢，产生脉冲个数的多少来实现准确的定位，所以控制的关键是控制产生的脉冲。

硬件连接与程序流程图分别如下图3.4a，图3.4b所示：图3.4a PLC硬件连接图图3.4b 系统流程图4、组态的设计在本系统设计中采用灯的点亮来模拟电机的运行状态，监控软件采用了北京亚控公司的Kingv iew6.5组态王软件。

4.1 I/O 口的定义首先双击工程浏览器左侧大纲项“设备\COM1”，弹出串口设置对话框，如图6所示。

图 4.1a 串口设置对话框要用组态软件进行实时监控首先要完成通讯连接，组态王通讯参数应与PLC 的通讯参数设置保持一致。

由于本系统是PLC 与组态王间进行通讯，因此将PLC的生产厂家、设备名称、通讯方式等填入相应的对话框即可。

然后选择工程浏览器左侧大纲项“设备\COM1”在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，运行“设备配置向导”，选择PLC三菱FX2系列产品中“编程口”4.2 构造数据库数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。

根据梯行图程序中的I/O 配置列表，定义各变量如下表2所示。

表2 I/O 配置列表X0 控制起/停I/O离散FX 1N X0 bit 读写关X1 正反转I/O离散FX 1N X1 bit 读写关X2 慢速按钮I/O离散FX 1N X2 bit 读写关X3 快速按钮I/O离散FX 1N X3 bit 读写关X4 定位I/O离散FX 1N X4 bit 读写关X5 运行I/O离散FX 1N X5 bit 读写关Y0 A相I/O离散FX 1N Y0 bit 只读关Y1 B相I/O离散FX 1N Y1 bit 只读关4.3 建立动画连接图4.3动画连接图根据以上画面中的开关可以来控制PLC设备上的开关按钮，可以监视控制PLC上设备的运行，根据不同情况来调节系统的启停，快速慢速等功能。