基于PLC的运动控制系统设计

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制是按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的，1968年美国通运公司提出取代电气控制装置要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制,这就是第一代可编程逻辑控制器.随着个人计算机发展起来后，为了方便，也为了反映可编程逻辑控制器的功能特点，可编程控制器定名为PLC.

PLC控制运动系统是数控化工业生产的关键组成部分，研究PLC控制运动系统可进一步提高其在工业生产中的应用。PLC作为简单化了的计算机，功能完备、灵活、通用、控制系统简单易懂、价格便宜、可现场修改程序、体积小、硬件维护方便、价格便宜等优点，在全世界广泛应用,为生产生活带来巨大效益方便。因此,通过研究PLC来控制运动，即可实现精确定位控制，又能降低控制成本,还有利于维护。以往的电动机需要靠驱动器来控制，随着技术不断发展完善,PLC通过自身输出脉冲接入并控制电动机，这样就有利于对运动精确控制。

上世纪80年代至90年代中期,是PLC发展的最快时期，年增长率一直保持为30—40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人及接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入运动控制领域,在某些应用上取代了在运领域处于统治地位的DCS系统.基于电动机良好的控制和准确定位特性，被广泛应用在精确定位方面，诸如数控机床、绘图机、扎钢机、自动控制计算装置、自动记录仪表等自动控制领域。PLC具有通用性强、使用方便、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点，PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来时无法取代的.

本控制系统设计是由系统硬件设计和系统软件设计两部分组成。其中，硬件设计主要包括步进电动机的工作原理分析、步进电动机的驱动设计及PLC工作原理及PLC作用驱动器且驱动步进电动机运动原理设计。软件设计包括主程序以及其他辅助控制程序设计，最终实现对步进电动机转角、转速、及转向控制。

随着微电子和计算机技术的发展,步进电动机的功能也越来越强大并得到广泛应用,继续研究PLC对步进电动机的控制系统，对提高控制精度、提高响应速度和提高能源利用率等有着重要意义。

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西京学院本科毕业设计（论文） 2 可编程序控制器(PLC）简介

2.1PLC的基本概述

2。1。1PLC的定义

可编程控制器是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(简称PC）的简称混淆，所以将可编程控制器任简称PLC。

PLC即可编程控制器,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置.在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。\" 2。1.2PLC的基本组成

PLC是一种面向工业环境设计的专用计算机，它具有一般计算机类似的结构,也是由硬件和软件组成。由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口、编程器、电源等几部分组成。PLC内部硬件结构框图如图2.1所示.

a.中央处理单元(CPU） 中央处理单元（CPU)是PLC的核心，他通过地址总线、数据总线、控制总线与存储器、I/O接口相连，其主要作用是执行系统控制软件，从输入接口读取各个开关状态，根据梯形图程序进行逻辑处理，并将处理结果输出到输出接口.

b。存储器 PLC的存储器是用来存储数据或程序的。存储器中的程序包括系统程序和应用程序.系统程序用来管理控制系统的运行，解释执行应用程序,存储在只读存储器ROM中。应用程序即用户程序，一般存放在随机存储器RAM中，由后备电池维持其在一定时间内不丢失。也可将用户程序固化到只读存储器中，永久保存.

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西京学院本科毕业设计（论文） c.电源 电源的作用是吧外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。有的电源单元还向外提供24V直流电，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，以保持RAM在外部电源断电后存储内容不丢失。PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。

图2.1 PLC的硬件结构框图

d。I/O接口电路 I/O接口是CPU与现场I/O设备联系的桥梁。输入接口接收和和采集输入信号.数字量或开关量输入接口用来接收从按钮、选择开关、限位开关、接近开关、压力微电器等来的数字量输入信号；模拟量输入接口用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。输入信号通过接口电路转化成适合CPU处理的数字信号.为防止各种干扰信号和高低压信号,输入接口一般要加光电耦合器进行隔离。

输出接口电路将内部电路输出的弱电信号转换为现场需要的强电信号输出,以驱动执行元件。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备,模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置.为保证PLC可靠安全的工作，输出接口电路采取电气隔离措施。输出接口电路分为继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出三种，目前，一般采用继电器输出方式。

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西京学院本科毕业设计（论文） e.编程器 编程器是用来输入和编辑程序，也可以用来监视PLC运行时各编程元件的工作状态。编程器是由键盘、显示器、工作方式开关以及与PLC的通信接口等几部分组成.一般情况下只在程序输入、调试阶段和检修时使用，所以一台编程器可供应多台 PLC使用。 2。1。3PLC的工作原理与扫描技术

可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN)状态与停止(STOP）状态。在运行状态,可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次,而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。

除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段（见图2。2a）。可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令速度极高，从外部输入—输出关系来看,处理过程似乎是同时完成的.

在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常,将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。

a b

图2.2 PLC的工作原理示意图

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西京学院本科毕业设计（论文） 在通信服务阶段,可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。可编程序控制器处于运行（RUN）状态时，还要完成另外3个阶段的操作（见图2.2b），图中仅画出了与用户程序执行过程有关的3个阶段。

可编程序控制器在RUN工作状态时，执行一次上图所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1~100ms。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。

不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等，如图2.3所示。

图2.3 PLC的扫描运行方式示意图

a。输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内。输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

b.用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段,PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图）.在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有

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西京学院本科毕业设计（论文） 可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

c.输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后,PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

2.2PLC控制系统的设计基本原则

a。最大限度的满足被控对象的控制要求。

b。在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。 c.保证控制系统安全可靠。

e.考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。

2。3PLC软件系统及常用编程语言

PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言,诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中,不能直接存取和干预.

用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序(也就是逻辑控制）用来实现各种控制。STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序,我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。

a.PLC提供的编程语言—标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点：

（1）它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。

（2）梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态.

（3）梯形图中的接点可以任意串、并联,但线圈只能并联不能串联。

（4）内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。

（5）PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。

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西京学院本科毕业设计（论文） b.语句表语言，类似于汇编语言。

c。逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能左边画输入、右边画输出。

2.4PLC的特点

a.可靠性高 抗干扰能力强.高可靠性是电气控制设备的关键性能.PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低.此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

b。配套齐全 功能完善，适用性强.PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合.除了逻辑处理功能以外,现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 c。易学易用 深受工程技术人员欢迎。PLC作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门.

d。系统的设计、建造工作量小 维护方便，容易改造。PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合.

e.体积小、重量轻、能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦.由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备.

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西京学院本科毕业设计（论文） 2。5PLC的应用

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

a.顺序控制 这是PLC最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器控制。PLC应用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制，例如注塑机、印刷机、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、包装生产线、电镀流水线及电梯控制等等。

b.运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制.从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块.世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合

c。过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制.PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

d。数据处理 现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

e.通信及联网 PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能,纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口,通信非常方便.

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西京学院本科毕业设计（论文） 3 步进电动机的简介

3.1步进电动机概述与特性

3.1。1步进电动机概述

步进电动机是将电脉冲信号变换成机械角位移的执行元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机.单相步进电动机由单路电脉冲驱动，输出功率一般很小,其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。

使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角).

正常情况下,步进电动机转过的总角度和输入的脉冲数成正比;连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制. 3。1。2步进电动机的特性

步进电动机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理的数据类型。从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路,今天在打印机、磁盘器等装置的位置控制中，步进电动机都是不可缺少的组成部分之一。总体上说,步进电动机有如下优点:

a。不需要反馈，控制简单.

b。与微机的连接、速度控制(启动、停止和反转）及驱动电路的设计比较简单. c。没有角累积误差。 d.停止时也可保持转距。

e.没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。 f。即使没有传感器，也能精确定位。

g。根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动.但是，这种电动机也有自身的缺点. h。难以获得较大的转矩 i.不宜用作高速转动

j.在体积重量方面没有优势,能源利用率低。

k.超过负载时会破坏同步,高速工作时会发出振动和噪声。

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西京学院本科毕业设计（论文） 3。2步进电动机的分类与工作原理

3。2.1步进电动机的分类

步进电动机的分类步进电动机按形状区分,有旋转式和直线式。按励磁相数来分,步进电动机有三相、四相、五相和六相。根据工作原理，步进电动机分为反应式、永磁式和混合式三种。本次设计只研究旋转式。

a。反应式步进电动机（VR） 其采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单,生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差。

b.永磁式步进电动机（PM） 其转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是7。50。它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。

c。混合式步进电动机（HB) 这是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。此类电动机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好,是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电动机。

3。2。2反应式步进电动机的工作原理

反应式步进电动机又称变磁阻式步进电动机，其定子和转子均由硅钢片组成，定子上有若干对磁极，磁极上有控制绕组。在转子的圆柱面上均匀分布有小齿。依靠定子与转子之间的气隙磁场吸力的作用，产生电磁转矩,使转子向气隙磁场减少的位置方向转动。

三相反应式步进电动机的定子有6个均匀的磁极,每两个相对的磁极组成一组相,即有A—A´、B-B´、C—C´三相，假定转子有均匀分布的4个齿，A、B、C三对磁极依次产生时便引起转子转动。

如下图3.1a所示，如果先使A相绕组通电,其相应的定子和转子齿之间就会产生磁吸力,使转子的1、3两个齿与定子的A相磁极对齐。然后，A相断电，再使B相绕组通电并使该磁极产生磁通，由图3.1b所示看到其转子的2、4两个齿与B相磁极对齐.如果按照A→B→C→A→﹒﹒﹒的顺序通电，转子则按逆时针方向一步步转动,每步转动的角度称为步距角。如果，按A→C→B→A→﹒﹒﹒顺序通电，步进电动机顺时针转动，其步距角也是30°.如果，轮流给各项磁极通电的频率越高,则步进电动机转速就越快.

从一相绕组通电转换到另一相绕组通电称为一拍，每一拍转子转动一个步距角。上面讲的是三相单三拍方式。也可以使两相绕组同时通电，即按AB→BC→CA→CA→AB→

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西京学院本科毕业设计（论文） ﹒﹒﹒则转子每一拍的稳态位置是处于该两相磁极的几何中线上,步距角仍为30°，这种通电方式为三相双三拍方式。

a b c

图3。1 三相反应式步进电动机

把上述两种方式结合起来，按A→AB→B→BC→C→CA→A→﹒﹒﹒的顺序通电，换接6次完成一个循环，这种通电的方式叫三相六拍，其步距角为15°是前两种通电方式的一半。

实际上，步距角越小，意味着所能达到的位置精度越高，通常步距角为1。5°～0。75°,为此需要将转子做成的齿轮形状的,定子的磁极上也制成小齿形状的，两种小齿的齿宽和齿距相等。如图3.2所示，当一相定子磁极的小齿与转子的齿对齐时，其他两相磁极的小齿都与转子的齿错过一个角度，按照相序，后一相比前一相错过的角度要大。例如转子上有40个齿，则相邻的两个齿的齿距角是360°/40=9°，如把定子上每个磁极制作5个小齿，当转子齿和A相磁极小齿对齐时，B相磁极小齿则沿逆时针方向超前转子齿1/3齿距角，即3°，而C相则超前2/3齿距，即6°.按照此结构，如果按A→AB→B→BC→C→CA→A→﹒﹒﹒的顺序以三相六拍通电时，电动机逆时针转动，其步距角为1。5°

由上述可知，步进电动机的步距角s由转子齿数Zr、控制绕组的相数m和通电方式决定，即S360 mZrC式中，C为通电方式系数，重单拍或重双拍时取为1,单、双拍交替时取2。由式

S360可见，相数越多，则步距角越小。 mZrC

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西京学院本科毕业设计（论文）

a

b

图3.2 感应式步进电动机

3.3本设计中所采用的步进电动机

本设计中所用的是三相反应式步进电动机，其转子小齿为80个,因此齿距角

t4.5.其采用三种运行方式，分别为“三相单三拍”、 “三相双三拍\" 和“三相单

双六拍”。

三相单三拍的通电顺序为A→B→C→A…,不断接通与断开控制绕组，转子就按顺时针方向一步一步地转动起来，每换接一次绕组,转子转过1/3齿距角，即b1.5。如果要使步进电动机反转，只要改变通电顺序,即按A→C→B→A…顺序循环通电。

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西京学院本科毕业设计（论文） 当步进电动机再改为三相双三拍运行时，其通电方式为AB→BC→CA→AB…，步距角与三相单三拍时一样,为1/3齿距角,即b1.5 。当要使反转时，通电方式改变为AB→AC →CB→BA…。

当运行方式改为三相单双六拍时,通电方式为A→AB→B→BC→C→CA→A…,即单相通电与两相通电相间，步距角为三相单三相运行时的一半，即b0.75。其三相绕组的波形图如图3.3所示。当要使步进电动机反转时，其通电方式应该为A→AC→C→CB→B→BA→A…,其步进角与正转相同。

图3。3 三相步进电动机绕组的电源脉冲波形

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西京学院本科毕业设计（论文） 4 PLC在步进电动机应用

4。1控制设计构想

在步进电动机控制系统中，首先要控制步进电动机,使之稳步起动,然后高速运动，接近指定位置时,减速之后低速运行一段时间，在准确地停在预定位置上,最后步进电动机停留3S后，按照前进时的加速、高速、减速、低俗四个步骤返回到起始点，其运动状态转换过程平稳，其功能框图如图4。1所示，其简单工作过程如图4.2所示。

图4。1 步进电动机控制功能框图

图4.2 步进电动机的简单工作过程

步进电动机本身的结构特性决定其要实现高速运转必须有加速过程,如果在起动时突然加载高频脉冲，电动机会产生啸叫、失步甚至是不能起动。在停止阶段,当高频脉冲突然降到零时，电动机会产生啸叫和振动.因此在起动和停止时,都必须有一个加速和减速的缓冲过程。

4.2系统硬件设计

由于步进电动机的硬件结构特性,所以对输入脉冲的频率要有所限制，对于低频的脉冲输出，PLC可以利用定时器来完成.

步进电动机位置控制系统硬件框图如图4.3所示。

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图4.3 步进电动机位置控制系统硬件框图

根据图4.3所示的系统硬件框图，选择如下硬件系统。

a.PLC主机 根据系统控制要求,可采用西门子S7—200系列PLC作为控制器，并考虑到此控制系统中的I/O口数量用的非常少,输入只有4个,输出只有2个，一共用到的I/O口有6个，因此控制系统不需要太大的数据存储。选用S7—200系列CPU221作为本控制系统的主机，既能满足系统要求，又能实现其经济性。

b.限位开关 该系统中共使用了俩个限位开关,即左限位开关和有限位开关,这俩个限位开关的作用是控制物体的位置，防止物体超出合理的工作范围。

（1）左限位开关 左限位开关是固定在工作台的最左端,其作用是当物体移动到预定的停止位置时没有停止，触发限位开关,使之断开电动机电源，达到安全保护。

（2）有限位开关 有限位开关是固定在工作台的最右端,其作用是当物体移动到工作台原点时没有停止，触发限位开关,使之断开电动机电源，达到安全保护.

c。步进电动机 步进电动机是该系统的执行系统，其精度影响整个系统的控制精度，选用电动机时，应满足系统的功能要求。若已知某类型步进电动机的参数，步距角为0.75，为三相流拍方式供电,最大静转矩为7。84N。m,最高空载起动频率是1500HZ，转子转动惯量为47×10-5kg。m2。知道这些数据后,必须计算出以下3个数据，即脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量.

脉冲当量=

步进电动机步距角螺距

360传动速比脉冲频率上限=移动速度步进电动机细分数

脉冲当量

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西京学院本科毕业设计（论文） 最大脉冲数量=移动距离步进电动机细分数

脉冲当量根据以上3个数据才能算出PLC的控制指令。若螺距为5h，传动速比为1，高速移动时速度为2m/min,移动距离为0。5m，则可算出，脉冲当量为1/96，脉冲频率上限为3200Hz，最大脉冲数量为48000个。根据计算出来的这些数据可以判断所选的PLC是否能够满足步进电动机的要求。

d.步进电动机驱动器 步进电动机必须使用专用的电动机驱动设备才能正常工作。步进电动机系统的运行性能除了与电动机自身的性能有关外，在很大程度上还取决于驱动器性能的优劣。

Pulse是脉冲的输入端口，每个脉冲上升沿使电动机转动一步.DIR是方向信号，用于控制电动机的正、反转，低电平时为顺时针旋转,高电平时为逆时针旋转。

在控制系统中用PLC输出一定量的脉冲来控制步进电动机的位移，控制脉冲的频率来控制步进电动机的速度，步进电动机驱动器将接收的脉冲进行分配，按照一定的通电顺序供给绕组。

PLC可以采用软件环形分配器,也可以采用硬件环形分配器,但是软件环形分配器占用PLC资源较多,尤其是当绕组数目大于4时。若采用硬件环形分配器，虽然硬件结构相对复杂，但能够节省PLC的I/O数量。一般仅占用少量I/O口，输出口有俩个，一个作为脉冲输出端接驱动器的脉冲端，另外一个作为方向控制输入到驱动器的方向控制端。如果采用硬件环形分配器,会使PLC的程序编写量也变小,对于PLC存储空间的要求就不会很高了。

步进电动机驱动器是由脉冲分配器与功率放大器组成。脉冲放大器是将脉冲信号源（PLC）传来的脉冲均匀的分配在三相绕组及三相绕组通电相序。功率放大器是将低脉冲信号放大到足以驱动步进电动机的强脉冲信号.步进电动机的内部原理图如图4.4所示。

图4。4 步进电动机驱动器原理图

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西京学院本科毕业设计（论文） 根据以上分析，PLC的I/O分配见表4。1所示.

根据硬件框图和控制系统I/O分配表，可以设计出本控制系统的硬件连线图，如图4。5所示.

表4。1 PLC的I/O分配

名 称 地址和编码 输 入 信 号 说 明 SB0 SB1 SQ1 SQ2 I0.0 I0.1 I0。2 I0。3 输 出 信 号 起动按钮 停止按钮 左限位开关 有限位开关 Pulse DIR Q 0.0 Q0.1 电动机转速和转角 电动机转动方向

图4.5 控制系统硬件连接图

4。3系统软件设计

根据该控制系统的要求，系统控制的流程图如图4.6所示.这个过程分为三个部分，即主程序、子程序、和中断程序。

因为步进电动机的起动频率不能太高,所以编程时首先采用低频起动,然后升到高频，快速运动。到接近停止位置时，先降频低速运行,到最后预设位置时停止，其脉冲频率特性如图4.7所示。

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西京学院本科毕业设计（论文） 图4。6 系统控制流程图

图4.7 步进电动机的脉冲频率特性

根据图所示流程图，编写的步进电动机控制系统主程序、子程序、和中断程序。

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西京学院本科毕业设计（论文） 步进电动机控制系统主程序如图4。8所示。

图4.8 步进电动机控制系统子程序

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西京学院本科毕业设计（论文） 步进电动机控制系统子程序如图4.9所示。

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西京学院本科毕业设计（论文）

4.9 步进电动机控制系统子程序

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图西京学院本科毕业设计（论文） 步进电动机控制系统中断程序如图4。10所示。

图4.10 步进电动机控制系统中断程序

a。其中,如图4。8所示为步进电动机控制系统主程序，其主要功能如下：

(1）在通电开始时，先将输出口Q0.0初始化,置0。 （2)设定电动机转动方向。

(3)调用子程序完成步进电动机的前进和返回控制。 (4)电动机的起动和停止控制.

与图4.8所示控制系统主程序对应的语句表见表4。2

表4。2 控制系统主程序对应的语句表

语 句 表 LD R LD O AN = LD = CALL ATCH

注 释 接通一个扫描周期 上电的第一个扫描周期对Q0。0复位 常开触点 常开触点 常闭触点 控制电动机前进或返回 常开触点 控制旋转方向 调用子程序,设置输出脉冲段 进行中断连接 22

语 句 表 ENI LD R CALL DTCH LD O O O = M0。1 Q0.0，1 SBR_0 19 I0.1 I0.2 I0。3 M0.2 M0.2 注 释 开启中断，脉冲输出完毕后产生中断 常开触点 上电的第一个扫描周期对Q0。0复位 调用子程序，设 置输出脉冲段 进行中断分离 常开触点 常开触点 常开触点 常开触点 停止或限位控制 SM0.1 Q0。0，1 I0.0 M0.0 M0。1 M0.0 M0。0 Q0.1 SBR_0 Int_0, 19 西京学院本科毕业设计（论文） b。图4。9所示的梯形图程序为步进电动机控制系统子程序，主要功能是完成高速脉冲串输出参数的设置.

与图4。9所示控制系统子程序对应的语句表见表4.3。

表4。3 控制系统子程序对应的语句表

语 句 表 LD AN MOVB SM0。0 M0。2 注 释 产生一个高电平 常闭触电 语 句 表 MOVW MOVDW MOVW 0, VW227 100， VD213 2500， VW217 注 释 周期增量为0，即 为高速脉冲输出 脉冲个数为1000 减速脉冲起始 频率为2500Hz MOVW 写控制字节到特殊 寄存器：允许脉冲输16＃A5， 出，多段管线PTO输SMB67 出,允许更新PTO的周期值和脉冲数，时间基准为us 200, 装入首地址 SMW168 4,VB201 100, VW201 -10, VW203 200， VD205 2500, VW225 控制过程分为四段 起动频率为1000Hz 周期增量为-10，即产生一个脉冲，其周期减少10us，该段为加速阶段 脉冲数为200 此阶段起始频 率为2500Hz MOVW MOVB MOVW MOVW MOVDW MOVW MOVDW MOVW MOVW 周期增量为20，即产+20， 生一个脉冲，其周期VW219 增加20us,该段为减速阶段 100，脉冲个数为100 VD221 1000, 此阶段起始频 VW209 率为1000Hz 0，周期增量为0，即 VW221 为低速脉冲输出 100， VD229 0 MOVDW PLS 脉冲个数为100 起动脉冲输出, 由Q0。0输出 c.图4。10所示的梯形图程序为步进电动机控制系统中断程序，主要作用是完成一个3s的定时功能。

与图4。10所示控制系统中断程序对应的语句表见表4.4。

与图4。8、图4。9、图4。10所示的控制系统主程序、子程序、中断程序运行的原理为：

系统上电后,首先对输出口进行初始化，然后按下起动按钮SB0,使Q0。1输出高电平,控制步进电动机的驱动器,使步进电动机正转,并且调用PTO子程序。在子程序中，将

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西京学院本科毕业设计（论文） 各种控制字及参数写相应的存储器中,把脉冲控制分为四个阶段,即变频加速阶段、高频高速运行阶段、变频减速阶段、和低频低速阶段。频率从低到高电动机处于加速阶段，由开始的1000Hz到高阶段的2500Hz，均没有超过步进电动机的额定数值，这样的电动机就不会出现失步,低速运行100步到达停机位置停机。

脉冲输出完毕后，产生一个中断.在中断程序中有一个定时器，中断产生后触发定时器开始定时，3s后定时时间到，T37常闭触电断开，使得Q0.1输出低电平,其常开触点闭合。再次对Q0.0进行复位操作，然后调运子程序，并且经脉冲输出中断关闭，这样就使步进电动机返回原始位置之后不会再次自行起动。返回过程与前进过程一样，都是先加速接着高速运行，然后减速、低速运行直到回到原点停止。

表4。4 控制系统中断程序对应的语句表

语 句 表 LD AM TON

SM0.0 M0.1 T37，30 注 释 产生一个高电平 常闭触点 定时时间为3s 语 句 表 LD O = T37 M0。1 M0.1 注 释 常开触点 常开触点 控制电动机 前进或返回

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西京学院本科毕业设计（论文） 结 论

毕业设计是本科学生完成学业和取得毕业证书的最后过程,通过这次系统、完整的设计，使我认识到实践的重要性，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平。通过PLC控制运动的速度、运行状态、安全、可靠、消防等进行合理的设计。综合考虑运动PLC控制系统，能够达到“稳、准、快”的要求，这就要求我们的设计必须严密、可靠。通过这次毕业设计,提高了我的意志力和品质力，提升了自己的忍耐力,懂得了怎样缓解压力,学会了独立思考、逻辑思维、提出问题、分析问题、解决问题的方法。这是我们希望看到的，也正是我们进行毕业设计的目的所在。

虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐，但我的收获却更加丰富。通过与郑导师的沟通和交流，我了解到此系统的适用条件,此设备的选用标准，以及各种器件适用性.我的能力也得到了提高，提高是有限的但提高也是全面的,正是这一次设计让我积累了实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。最终按质按量完成本次设计。我的收获是很难用语言来描述的。非常感谢各位老师的指导与帮助.

顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。无论PLC控制电梯系统怎么复杂，我都采用了一些新的技术和设备。它们有着很多的优越性，但也存在一定的不足,这些不足在一定程度上限制了我们的创造力。比如我的设计在怎么能够更大限度的满足乘客乘坐时的舒适感方面处理得不是很理想，这让我感到很遗憾。发现问题，面对问题，才有可能解决问题.不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为社会做出应有的贡献，为祖国的四化服务。

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西京学院本科毕业设计（论文） 致 谢

本次设计随虽然主要是我一个人完成,但却不只是我一个人的成果.没有导师的指引和帮助,没有父母和朋友的帮助和支持,我在大学的学术成长肯定会大打折扣。当我打完毕业设计的最后一个字符，涌上心头的不是长途跋涉后抵达终点的欣喜，而是源自心底的诚挚谢意。我首先要感谢我的导师,对我的构思以及论文的内容不厌其烦的进行多次指导和悉心指点,郑导师多次询问进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路,精心点拨、热忱鼓励。郑导师一丝不苟的作风,严谨求实的态度,踏踏实实的精神，不仅授我以文,而且教我做人，给以终生受益无穷之道。对郑导师的感激之情是无法用言语表达的，使我在完成毕业设计的同时也深受启发和教育。

再次感谢帮助我完成本次设计的导师和老师们.

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西京学院本科毕业设计（论文） 参考文献

[1] 董景新。 机电一体化系统设计[M］.北京:机械工业出版社, 2007。9

［2］ 钟肇新。 可编程控制器原理及应用[M].广州:华南理工大学出版社， 2004.10 ［3］ 余雷声。 电气控制与PLC应用［M］.北京:机械工业出版社,2005。1 [4] 张建民。 机电一体化原理与应用［M].北京: 国防工业出版社， 2007.2 ［5］ 周祖德。 机电一体化控制技术与系统[M］.武汉:华中理工大学出社，2004.5 ［6］ 魏俊民. 机电一体化系统设计[M］.北京：中国防织出版社, 2002。10 [7］ 金 钰。 伺服系统设计指导［M］。北京： 北京理工大学出版社, 2002。2 [8] 陈 宇. 可编程控制器基础及编程技巧［M]。广州:华南理工大学出版社,1999.1 [9] 熊世和。 机电系统计算机控制技术[M］。成都：电子科技大学出版社, 1993 ［10]魏天路。 机电一体化系统设计[M］。北京:机械工业出版社，2006 ［11］DinsdaleJ.Mechatronics and Asics。Annals of the CIRP,1989 ［12]Nitaigour.Premchand Mahalik，2008

［13]Mechatronics 。Technology base and application， 2007

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