本科生毕业论文（设计）
题 目: 姓 名: 学 院: 专 业: 班 级: 学 号: 指导教师:
基于S7-200的步进电机调速系统设计 卫 萌 工 学 院 自 动 化 71 班 3227102 赵贤林 职称: 副教授
2011年5月20日 南京农业大学教务处制
目 录
摘要 ..................................................................... 3 关键词 ................................................................... 3 Abstract. ................................................................ 3 Keywords ................................................................. 3 1 步进电机概述及其控制原理 .............................................. 5 1.1 步进电机概述 ......................................................... 5 1.1.1 步进电机的出现及其定义 ............................................ 5 1.1.2 步进电机的特点 .................................................... 5 1.1.3 步进电机的分类 .................................................... 5 1.1.4 步进电机的动态指标 ................................................ 6 1.1.5 步进电机的选用 .................................................... 6 1.2 步进电机驱动控制系统概述 ............................................ 7 1.2.1 步进电机驱动控制系统组成 .......................................... 7 1.2.2 步进电机开环控制简述 .............................................. 8 2 PLC的基础知识 ......................................................... 9 2.1 PLC的由来和发展 ..................................................... 9 2.1.1 PLC的由来和定义 ................................................... 9 2.1.2 PLC的发展 ........................................................ 10 2.2 PLC的应用领域和特点 ................................................ 10 2.2.1 PLC的应用领域] ................................................... 10 2.2.2 PLC的特点 ........................................................ 11 2.3 PLC的基础结构 ...................................................... 12 2.4 PLC的工作原理 ...................................................... 14 2.4.1 PLC的三个工作阶段 ................................................ 14 2.4.2 PLC对输入/输出的处理规则 ......................................... 15 3 基于S7-200的步进电机调速系统设计 .................................... 15 3.1 系统硬件器材的选取 ................................................. 15 3.1.1 步进电机的选择和步进电机驱动器的选择 ............................. 15 3.1.2 PLC的选择 ........................................................ 16 3.1.3 高速输出指令简介 ................................................. 17 3.2 硬件电路的连接 ..................................................... 18 3.2.1 系统的任务 ....................................................... 18 3.2.2 系统流程图 ....................................................... 18 4 设计实现及结果展示 ................................................... 19 4.1 硬件电路连接图的实现 ............................................... 19 4.2 软件编程的实现 ..................................................... 20 5 总结 ................................................................. 23 致谢 .................................................................... 24 参考文献： .............................................................. 24
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基于S7-200的步进电机调速系统设计
自动化专业 学生 卫萌 指导老师 赵贤林
摘要：本课题的目标是设计出基于S7-200的步进电机调速系统。文章首先便给出此课题研究的必要性及重大意义。文章同时回顾了近几年步进电机调速系统的研究现状，说明了现有的步进电机控制系统的缺点和不足。系统是由可编程序逻辑控制器（即PLC）、步进电机和步进电机驱动器组成，其次介绍了步进电机和PLC的相关知识，包括：定义、发展历程、应用领域、控制原理和特点等。文章详细介绍了PLC中高速脉冲输出指令，画出了系统硬件连接的原理图。结合上述原理，文章给出了基于S7-200的步进电机调速系统的实物连接图和程序，程序分为主程序和中断程序。在文章最后提出了本课题存在的问题和改进方法，以及在改进后的应用前景。实践证明本课题的可操作性，以及实用性。
关键词：可编程序逻辑控制器；步进电机；步进电机驱动器；高速脉冲
The Design of Step Motor Speed Governing System Based On S7-200
Student majoring in Automation Wei Meng
Tutor Zhao Xianlin
Abstract: This topic's goal is to design the system of step motor speed governing based on S7-200. Firstly, the research necessity and the great significance of this topic were given. Simultaneously, the research status quo of the system of step motor speed governing was reviewed in this paper, and the existing step motor’s control system’s shortcoming and disadvantage was explained. The system is make up of PLC, step motor and step motor’s driver, so then, the related knowledge of the step motor and PLC, such as definition, phylogeny, application fields, the control principle and advantage, were introduced. Next, the order of rapid pulse output was introduced, and the system hardware connects schematic diagram was given in the paper. Unified the above principle, the connection diagram and the program of the step motor’s velocity modulation system based on S7-200 were given, and the program is make up of two parts: the master routine and the interrupt routine. At the end of this paper, the subsistent problem, the way to improve and application prospect were proposed. The practice proved the maneuverability and practicability of the topic. Keywords: PLC; Step Motor; Step Motor’s Driver; Rapid Pulse
引言 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度称为“步距角”,其旋转以固定的角度运行。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量以达到准确定位的目的同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度而达到调速的目的。步进电机作为一种控制用的特种电机,因其没有积累误差精度为而广泛应用于各种开环控制[1]。在负载能力范围内，这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动化，因而可适用于开环系统中作执行元件，使控制系统大为简化[2]。可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计[3]。
步进电机是一种常用的电气执行元件，能将数字式电脉冲信号转换成机械角位移或线位移，实质上是一种多相或单相同步电机，在数控机床、包装机械等自动控制及检测仪表等方面得到了广泛的应用。单相步进电机由单路脉冲驱动，输出功率小；多相步进电机有多相方波脉冲驱动。步进电机转子的位移与脉冲数成正比，其转速与脉冲频率成正比，同时，在工作频段内，可以稳定的从一种运动状态转换到另一种运动状态，因此步进电机能够完成高精度的位置控制，且无累计误差等，所以可以广泛应用于数字定位
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控制中[4]。随着步进电机的不断改良，今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。
步进电机作为控制执行元件，是机电一体化的关键产品之一。由于其具有运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长等优点，所以被广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。步进电机调速系统是基于S7-200的，由PLC、步进电机驱动器以及步进电机组成。它包括软件编程和硬件电路两部分：通过软件使PLC输出高速脉冲给驱动器从而控制步进电机运转。用PLC 控制步进电机，使步进电机动作的抗干扰能力强，工作的可靠性高，同时，由于实现了模块化结构，使系统构成十分灵活，便于在线修改，产品的适应性强[5]。
鉴于步进电机的广泛应用以及工业现场的实际需要，人们为了更好的利用步进电机，一直以来都在做步进电机控制方面的研究：文[6]提出了在实际的步进电机应用中,尤其在要求快速响应的控制系统中,其关键问题是如何保证步进电机在频繁启停、频率发生突变的高速运转过程中不发生堵转和失步。系统的极限启动频率较低,而要求的运行速度又较高,如果系统以要求的速度直接启动,会因速度已超过极限启动频率而不能正常启动,发生堵转或根本不能运行的情况。系统运行到终点时突然停止,则会因系统的惯性,出现过冲现象,使控制发生偏离。基于此问题,文章提出在控制的过程中运行速度需要有一个升速 — 恒速 — 降速 — 停止的过程。文[7]则介绍了基于PLC 控制的步进电机送料系统的硬件结构和软件实现方法并对系统的步进电机驱动部分进行了详细分析和研究。文章介绍了当步进电机驱动模块采用软脉冲生成器硬脉冲分配器结构，软脉冲由 PLC 的高速脉冲指令产生，硬件脉冲分配器通过小功率步进电机专用驱动芯片 UCN5804B 来实现通电换相控制的过程。文[8]利用西门子PLC配置位控模块输出的脉冲信号,驱动步进电机控制器完成了对步进电机转动角位移的控制,达到了位置控制的目的同时, 也满足了工业现场的需要。控制装置选用西门子 s7- 200系列 PLCCPU224XPCN和位控模块 EM253。CPU模块可以存储程序并带有数字量输入输出信号,位控模块可输出脉冲信号, 控制步进电机。文[2]提出了一种基于 PLC 的四相步进电机控制方法，介绍了系统的硬件组成以及相应的 I/O 分配。软件设计包括脉冲产生和控制、脉冲分配及步数设定三大模块，用软件完成脉冲分配功能，可以减少硬件资源，控制参数改变方便灵活，提高了系统控制的可靠性和灵活性。在文[9]中，一种状态反馈跟踪算法可以为那些电子轨迹和预设的不一样而设计，从而保障证电机转子位置循轨误差的渐进汇合到零。而文[10]则指出虽然步进电动机的控制是非常容易，但是他们运作并不平稳。所以，减少在步进电动机的速度和转距上的波纹发生是必要的。在这项研究中，PID控制器被用于减少波纹。
在以上的研究中，文[7] 文[8] 文[2]都是研究基于PLC的步进电机调速系统的设计，给本课题基于S7-200的步进电机调速系统的设计提供依据和方法。同时，由上述控制方法可以看出，它们使用了小功率步进电机专用驱动芯片 UCN5804B和PLC位控模块EM253，还需要学习相关模块的相关知识，硬件电路连接和软件编程，给控制系统的设计和维护带来诸多不便。同时，EM253价格相对较高，对此系统的实用性提出挑战。本课题则采用PLC输出脉冲和实用步进电机配套的驱动，软件输出脉冲，减少硬件电路，步进电机驱动说明书仅两页，而且比较简单，也不需要软件，对于研发者和使用者都比较简单。
采用 PLC 实现步进电机位置控制的方法，较传统的步进电机控制方式而言，可以大大减少系统设计的工作量，而且不存在各部分接口信号的匹配问题,从而提高系统的可靠性。在 PLC 控制的步进电机定位系统中, 使用 PLC 主控单元通过步进电机驱动器
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直接控制步进电机, 用软件代替硬件控制, 不仅具有控制简单 运行稳定 开发周期短等优点, 而且提高了控制系统的柔性和可靠性, 有较高的推广和应用价值。
1 步进电机概述及其控制原理
1.1 步进电机概述
1.1.1 步进电机的出现及其定义 步进电机又称为脉冲电机，基于最基本的电磁铁原理，它是一种可以自由回转的电磁铁，其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。其原始模型是起源于1830年至1860年间。1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氢弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。二十世纪初，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。由于西方资本主义列强争夺殖民地，步进电机在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中得到了广泛的使用。二十世纪五十年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到了八十年代后，
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由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电机的控制方式更加灵活多样。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行器件。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（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时可以通过控制脉冲频率来控机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制[12]。
1.1.2 步进电机的特点 步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称step motor或stepping motor、pulsemotor、steeper motor等。目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。就传统的步进电机来说，步进电机可以简单地定义为：根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与脉冲频率同步的同步电动机。
步进电机具有其自身的特色，归纳起来有：
（1）可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价； （2）直接接收数字信号，不必进行数模转换，使用方便；
（3）位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以要求更高精度时组成闭环控制系统；
（4）无刷，电动机本体部件少，可靠性高；
（5）易于起动、停止、正反转及变速，响应性也好； （6）停止时，可有自锁功能；
（7）步距角选择范围大，可在几十角分至180度大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在越低速下以高转矩运行，因而可以不经减速器直接驱动负载工作；
（8）速度可以相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进电机可使它们完全同步运行；
（9）不能直接使用普通的交流电源驱动。
1.1.3 步进电机的分类 步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式（VR）、永磁式（PM）和混合式（HB）三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为式和混合式步进电机。
（1）反应式步进电机(Variable Reluctance，简称VR)反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但
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