设计任务书 《可编程控制器》课程设计 设 计 题 目： 五相十拍步进电机控制程序 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业、年级、班级：2014 级电气工程及其自动化 3 班 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院电气工程系 2017 年 3 月 1 日 可编程控制器课程设计任务书 （一）设计题目 五相十拍步进电动机控制程序的设计 （二）情况简介 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...
设计任务书 《可编程控制器》课程设计 设 计 题 目： 五相十拍步进电机控制程序 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业、年级、班级：2014 级电气工程及其自动化 3 班 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院电气工程系 2017 年 3 月 1 日 可编程控制器课程设计任务书 （一）设计题目 五相十拍步进电动机控制程序的设计 （二）情况简介 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、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。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 （三）设计要求 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 AB 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 0.5S）。 3 号开关控制其中速运行（转过一个步距角需 0.1S）。 4 号开关控制其高速运行（转过一个步距角需 0.03S）。 5 号开关控制其转向（ON 为正转，OFF 为反转） （四）设计步骤 １.查找资料，了解和分析题目所要求具体工程项目控制的过程。 ２.确定 I/O 点数，选择 PLC 的型号，并根据需要进行硬件系统配置。 ３.绘制外部 I/O 接线图及相关的电气原理图。 ４.编程。 ５.调试。 ６.编写设计说明书。 （五）设计说明书要求 ①.完整的设计任务书。 ②. 确定 I/O 点数，选择 PLC 的型号，完成系统组态或硬件配置。 ③.正确合理地进行编程元件的地址分配。 ④.画出输入/输出接线图及相关电气原理图。。 ⑤.设计梯形图控制程序。 ⑥.编制系统的操作说明。 ⑦.编制系统的调试说明及注意事项。 ⑧.设计体会（可选）. ⑨参考文献. （六）列出设计参考资料目录设计时间 2017 年 2 月 25 日至 2017 年 3 月 1 日 指导教师 设计说明书 《可编程控制器》课程设计 设 计 题 目： 五相十拍步进电机控制程序 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业、年级、班级：2014 级电气工程及其自动化 3 班 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院电气工程系 2017 年 3 月 1 日 1 目录 1、引言............................................................................................................................................. 2 1.1 背景 .................................................................................................................................... 2 1.2 设计内容及目的 ................................................................................................................ 2 2、系统总体方案设计 ..................................................................................................................... 3 2.1 系统硬件配置及组成原理 ............................................................................................... 3 2.2 系统变量定义及分配表 ................................................................................................... 3 2.3 系统接线图设计 ............................................................................................................... 4 3、控制系统程序设计 ..................................................................................................................... 5 3.1 控制程序流程图设计 ....................................................................................................... 5 3.2 控制系统的设计思路及设计程序 ................................................................................... 6 4、控制系统的上位机设计 ........................................................................................................... 13 4.1 人机界面选择 ................................................................................................................. 13 4.2 人机界面设计 ................................................................................................................. 13 5、系统调试及结果分析 ............................................................................................................... 15 5.1 PLC 与上位机联调 .......................................................................................................... 14 5.2 结果分析 ......................................................................................................................... 18 结束语 ............................................................................................................................................ 18 附录：程序梯形图 ......................................................................................................................... 19 2 1 1 、引言 1 1.1 背景 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、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。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 2 1.2 设计内容及目的 五相步进电动机有五个绕组: A、B、C、D、E 正转顺序: ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB 反转顺序: ABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEABAB 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 )。 3 2 2 、系统总体方案设计 2.1 系统硬件配置及组成原理 确定 I/O 点数，选择 PLC 的型号，完成系统组态或硬件配置。I/O 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，在增加 10%到 20%的可扩展。 根据对五相十拍步进电机的作用分析，该控制系统应有 5 输入点 5 输出点。I/O 点总数为 10 个。综合输入输出点的计算以及要实现的五相十拍步进电机控制功能，使用西门子S7-200PLC（CPU222），这样就能完全能够满足设计要求。 S7-200PLC 是一种小型可编程逻辑控制器。高集成度的设计、低廉的成本使得 S7-200成为各种小型控制任务理想的解决方案，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。并且，西门子 S7-200PLC 具有：极高的可靠性、丰富的指令集、极快的浮点运算速度、丰富的扩展模块、强大的内部集成功能等几个方面的出色表现。 2.2 系统变量定义及分配表 控制步进电机的 5 个输入开关及控制 A、B、C、D、E 五相绕组工作的输出端在 PLC 中的I/O 编址如下表所示。 I/O 地址分配表 输入点 输出点 元件名称 符号 地址编码 元件名称 符号 地址编码 高速运行常开按钮 SB1 I0.0 A 绕组 A Q0.0 中速运行常开按钮 SB2 I0.1 B 绕组 B Q0.1 低速运行常开按钮 SB3 I0.2 C 绕组 C Q0.2 启/停转换开关 QS1 I0.3 D 绕组 D Q0.3 正反转转换开关 QS2 I0.4 E 绕组 E Q0.4 4 2.3 系统接线 、控制系统程序设计 3.1 控制程序流程图设计 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。 Y Y N N 开始 启动 选择正转或反转 选择步进速度 移位寄存器循环移位 移位寄存器赋初值 停止 驱动电动机步进 发出移位脉冲 十拍计数 6 3.2 控制系统的设计思路及设计程序 用 M4.3 来控制电机启停。 把十进制数 10、20、30 赋值给寄存器 VW100，实现高、中、低速控制。利用 I0.0、I0.1、I0.3 的互锁来保证能随时调速 7 8 9 10 11 12 13 4 4 、控制系统的上位机设计 4.1 人机界面选择 建新工程时选择 LEVI 777A、COM1、西门子、S7-200 cpu222xp。 4.2 人机界面设计 启停开关控制电机的启动和停止，低速、中速、高速开关分别控制电机的低、中、高速运行，正反转开关控制电机的正反转。指示灯 A、B、C、D、E 分别显示 A 相、B 相、C 相、D相、E 相。 14 15 5 5 、系统调试及结果分析 C 5.1 PLC 与上位机联调 1.利用 S7-200 仿真软件来对本程序进行调试，调试步骤如下： 步．硬件的选择：在菜单中点击“配置”，选择 CPU 型号为 222 类型，运行结果如图。 第二步．生成 ASCII 文本文件：在 STEP7-MicroWin 中打开编译成功的文件，点击菜单命令 “文件”，选择“导出”。 第三步．下载程序：执行菜单命令“文件”，选择“下载程序”，再选中生成的 ASCII文件，确定即可。 第四步．模拟调试程序：点击“运行”按钮，再按“监控”按钮进行状态监控，再进行各种控制要求的调试运行。 2．运行结果 （1）选择 CPU 型号，运行结果如图所示 选择 CPU 型号 16 （2）下载编好的程序，点击运行、监控，运行结果如图所示 运行监控 （3） 电机正转，中速运行，再启动开关后的运行结果如图 3-5 所示 中速正转 17 （4）电机正转，低速运行结果如图所示 低速正转 （5）电机反转，中速运行结果如图所示 中速反转 18 5.2 结果分析 本文研究了基于 plc 的五相十拍步进电机控制系统，包括硬件设计与软件设计。不仅在理论上论证了该系统实施的可行性，而且在实验中进行了模拟调试。 虽说调试后本系统的整体设计基本要求能够实现，但在实际中，还要考虑其他的一些因素，例如如何简化电路，使设计更加的经济有价值。 结束语 两个星期的课程设计，转眼即逝，在老师的耐心指导下，我的课程设计顺利地完成，在此向老师表示由衷的感谢。本次的课程设计，我的课题是五相十拍步进电机控制程序的设计。整个设计的逻辑流程并不是很难，的难点在于解决程序设计中的一些关联问题，而正是这些问题锻炼了我解决问题的逻辑思维和创新能力，这是本次设计我的收获。通过这次课程设计，我懂得了实际设计并不是想象中那么简单，需要考虑的问题不只一个方面，要学会综合考虑；学会了一种创建人机界面的软件，锻炼了自己的自学能力。当然，我也发现了自身的不足，例如 PLC 课程中的一些通用指令没有真正地理解、仍有许多指令有待学习等等。虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，遇到问题时，我仍然积极和同学进行交流讨论，进一步锻炼了我的合作能力。 19 附录：程序梯形图 20 21 22 23
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