摘 要
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，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 步进电机是将电脉冲信号变换成机械角位移的一种装置，每个脉冲使转轴步进一个步距角增量，输出角位移与输入脉冲数成正比，转速与输入脉冲成正比，转速与输入脉冲频率成正比。 步进电机的控制方式简单，属于开环控制，且无累积定位误差，有较高的定位精度，而PLC作为一种工业控制微机，是实现电机一体化的有力工具，因此基于PLC的步进电机控制技术已广泛用于数字定位控制中。 本控制系统的设计，由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计主要包括步进电机的工作原理、步进电机的驱动电路设计、PLC的输入输出特性、PLC的外围电路设计以及PLC与步进电机的连接与匹配等问题的实现。软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。
本文主要介绍了西门子S7-200在步进电机控制方面的应用。
关键词： 步进电机、PLC、西门子S7-200
目录
1. 概述 ........................................................................................................................... 1 2.硬件设计..................................................................................................................... 2
2.1控制要求.......................................................................................................... 2 2.2选择PLC型号 ................................................................................................ 2
2.2.1 I/O点数的估计 .................................................................................. 3 2.2.2 用户存储器容量的估算 ..................................................................... 3 2.2.3 CPU功能与结构的选择 .................................................................... 3 2.2.4机型选择 .............................................................................................. 4 2.3 系统设计流程示意图 .................................................................................... 4 2.4 I/O分配表 ....................................................................................................... 5 2.5 I/O接线图 ....................................................................................................... 5 3.软件设计 .................................................................................................................... 6
3.1设计梯形图 ..................................................................................................... 6
3.3.1 梯形图编程语言概述 ......................................................................... 6 3.3.2 梯形图指令程序................................................................................ 6 3.2设计指令表...................................................................................................... 8 4.调试 .......................................................................................................................... 10 5.结束语....................................................................................................................... 11 6.参考文献................................................................................................................... 12
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1. 概述
在电气信息时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产还是在日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。因此对电动机的控制变得越来越重要了。电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术化。
步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，其原理是通过对它每相线圈中的电流和顺序切换来使电机作步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及步进角)。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时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。
PLC全称可编程控制器，是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微机处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。随着PLC性价比的不断提高，其应用领域还将不断扩大。 PLC对步进电机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,其脉冲分配可以由软件实现,也可由硬件组成。
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2.硬件设计
2.1控制要求
在步进电机单元完成本实验。
使用移位寄存器指令，可以大大简化程序设计。移位寄存器指令所描述的操作过程如下，若在输入端输入一串脉冲信号，在移位脉冲作用下，脉冲信号依次移位到各个寄存器的内部继电器中，并将这些内部继电器的状态输出，每个内部继电器可在不同的时间内得到由输入端输入的一串脉冲信号。
图2.1 步进电动机控制的模拟实验面板图
2.2选择PLC型号
选择合适的机型是PLC控制系统硬件配置的关键问题。目前，国内外生产PLC的厂家很多，不同的厂家的PLC场频随谈基本功能相似，但有些特殊功能、价格、服务及使用的编程指令和编程软件都不同。而同一厂家生产的PLC产品又有不同的系列，同一系列中又有不同的CPU型号，不同系列、不同型号的。因此，如何选择合适的机型至关重要。
PLC的选择主要应从PLC 的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模
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块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。
2.2.1 I/O点数的估计
I/O点数是PLC的一项重要指标.合理选择I/O点数计可使系统满足控制要求,又可使系统总投资量最低。PLC的输入输出总点数和种类应根据被控对象所需控制的模拟量、开关量等输入/输出设备情况来确定，一般一个输入/输出元件要占用一个输入/输出点。考虑到今后的调整和扩充，一般应在估计的总点数上再加上20%到30%的备用量。
2.2.2 用户存储器容量的估算
PLC常用的内存有EPROM、EEPROM和带锂电池供电的RAM。一般微型和小型PLC的存储容量是固定的，介于1-2KB之间。用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序设计之前只能粗略的估算。
2.2.3 CPU功能与结构的选择
PLC的功能日益强大，一般PLC都具有开关量逻
辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能，有些PLC还可扩展各种特殊功能模块，如通信模块、位置控制模块等，选型时可考虑以下几点：
1）功能与任务相适应
2）PLC的处理速度应满足实时控制的要求 3）PLC结构合理、机型统一 4）在线编程合理和离线编程的选择
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2.2.4机型选择
综上所述，可知本次步进电动机控制的模拟中PLC型号选择：I/O点数的统计：输入1点（SD）；输出4点（A、B、C、D），控制步进电机。SD为启动按钮。估计PLC用户程序长度：为I/O点数的（10-20）倍，选用S7-200 CPU226 CN AC/DC/RLY输出的PLC即能满足要求。
2.3 系统设计流程示意图
图2.2 系统设计流程图
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2.4 I/O分配表
表2.1 I/O分配表
2.5 I/O接线图
图2.3 I/O接线图
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3.软件设计
3.1设计梯形图 3.3.1 梯形图编程语言概述
梯形图(LAD)是与电气控制电路图相呼应的图形语言。它沿用了继电器、触点、串并联等术语和类似的图形符号，并简化了符号，还增加了一些功能性的指令。梯形图是融逻辑操作、控制于一体，面向对象的、实时的、图形化的编程语言。梯形图信号流向清楚、简单、直观、易懂，很适合电气工程人员使用。梯形图（LAD）在PLC中使用得非常普遍，通常各厂家，各型号PLC都把它作为第一用户语言。
3.3.2 梯形图指令程序
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3.2设计指令表
指令语句表（STL）使用助记符来表达PLC的各种控制功能的。它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言直观易懂，编程简单，因此也是应用很广泛的一种编程语言。这种编程语言可使用简易编程器编程，但比较抽象，一般于梯形图语言配合使用，互为互补。目前，大多数PLC都有语句表编程功能，但各厂家生产PLC的语句表（STL）所用的助记符互不相同，不能兼容。
Network 1 // 网络标题
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
8
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
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4.调试
步进电机的控制系统由可编程控制器和步进电机功率驱动器组成，控制系统中PLC用来产生控制脉冲；通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角；同时通过编程控制脉冲频率。
在输入端输入一串脉冲信号（1000），在移位脉冲作用下，此脉冲信号依次移位（1000-0100-0010-0001-1000-…...）至各个寄存器的内部继电器（Q0.0-Q0.1-Q0.2-Q0.3-Q0.0-……）中，并将这些内部继电器的状态输出（LED灯A亮-B亮-C亮-D亮-A亮-……）。
若将梯形图网络三中复位指令的指令操作数M0.1改为M0.2或M0.3，各个寄存器的内部继电器的状态输出将发生改变（1000-0100-0010-0001，即A亮-B亮-C亮-D亮），不会循环移位；
若将梯形图网络四中置位指令的指令操作数M0.1改为M0.2或M0.3，各个寄存器的内部继电器的状态输出将发生改变（1000-1100-1110-1111，即A亮-AB亮-ABC亮-ABCD亮），不会循环移位。
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5.结束语
这次课程设计我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。
课程设计是对学校所学知识的全面总结和综合应用，对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力。
在不断的努力下我的课程设计终于完成了。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫然。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
总之，通过这次课程设计大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。
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6.参考文献
[1] 刘顺禧. 电气控制技术. 北京：北京理工大学出版社,1995
[2] 袁任光. 可编程序控制器(PLC)应用技术与实例. 第2版.广州：华南理工大
学出版社,2000
[3] 谢剑英. 微型计算机控制技术. 第3版.北京：国防工业出版社,2001 [4] 西门子公司. SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册,2000 [5] 邓则名. 电器与可编程序控制器应用技术. 机械工业出版社,1997 [6] 廖常初. PLC编程及应用. 北京：机械工业出版社,2002
[7] 陈在平. 可编程控制器技术与应用系统设计. 机械工业出版社,2002 [8] 何衍庆. 可编程序控制器原理及应用技巧. 北京：化学工业出版社,2000 [9] 谭浩强. PLC程序设计教程. 北京：清华大学出版社,2000
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