赵辉--基于plc步进电机运动控制系统设计(最终版)

1、 题题 目：目：基于 PLC 的步进电机的运动控制系统的设计学学 院：院：物理与电气信息工程学院专专 业：业：电气工程及其自动化班班 级：级：2011 级 2 班姓姓 名：名：赵 辉学学 号：号：20110604083指导教师：指导教师：蔡文霞2015年4月16日毕 业 论 文基于基于 PLCPLC 的步进电机的运动控制系统的设计的步进电机的运动控制系统的设计【摘要摘要】在电气时代的今天，步进电机在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。在这里详细介绍了一个由两台互相垂直放置的步进电机组成的以 PLC 为核心的运动控制系统的设计方案。包括系统的总体设计思路、各功能模块的具体方案、处理器的程序编写以及 PLC 与组态王之间的数据传输。该系统能够实现对两台互相垂直放置的步进电机的转动方向和转动速度的控制。通过分别控制两台步进电机的转动方向和转动速度，使一个木块能够以可调的速度向前后左右四个方向移动。另外该系统还将组态王软件与 PLC 通过串口线进行了连接，实现了组态王与 PLC 之间的实时通信。利用组态王软件制作一个监控画面，并在监控画面上添加控制按钮,使其能够实时反映和控制该系统的运动状

2、态。最终实现可以通过手动按键和点击组态王监控画面上按钮两种途径来控制该系统的运动状态的功能。【关键词关键词】步进电机；PLC；运动控制；组态王The Design Based on PLC of Motion Control Systems of Stepping Motor 【Abstract】In todays age of electricity, stepper motor plays an very important role in the production and life of modernization.There introduces a design scheme about the motion control system of stepper motor.It consists of two stepper motor ,whitch vertically with each other.And the system with PLC as the controller. Studied the overall design，the concrete s

3、cheme of each module, the writing of the processors program and the transfer of data between PLC and kingview.The system can realize the control of rotating direction and rotating speed of two stepper motor ,whitch vertically with each other.The system can make a block to move in four directions with an adjustable speed by each control of two stepper motor about rotation direction and rotation speed. In addition,this system connects the PLC and kingview through the serial port, achieving the the

4、 real-time data communication between PLC and kingview. By using kingview software to made a monitor screen and add control button on the monitor screen can reflect and control the motion system in real time. Finaly，It can achieve the function,which controls the motion system by manual button and clicking the button of monitor screen of kingview two ways .【Key Words】Stepping motor; PLC; Motion control; kingview目目 录录1 引言 .11.1 课题的研究背景 .11.2 我国步进电机控制系统的发展现状 .12 总体方案设计 .12.1 设计思路 .12.2 各功能模块的简单介绍 .

5、23 系统的硬件设计 .33.1 步进电机模块 .33.1.1 步进电机的工作原理 .33.1.2 步进电机型号及工作方式的选择 .43.2 可编程控制器（PLC）模块 53.2.1 PLC 的选型53.2.2 I/O 分配63.2.3 外部接线图 .63.3 硬件电路模块 73.3.1 步进电机驱动电路的设计 .73.3.2 转速显示电路的设计 .83.3.3 键盘输入电路的设计 .94 系统的软件设计 104.1 PLC 的程序编写.104.1.1 输入控制程序 104.1.2 脉冲产生及速度控制程序 114.1.3 步进电机的运行及其方向控制程序 134.1.4 步进电机的选择性输出及转速显示程序 144.2 组态软件模块 154.2.1 新建工程 154.2.2 硬件链接 164.2.3 制作监控画面 174.2.4 定义变量 184.2.5 动画连接 195 系统调试 235.1 系统的软件调试 235.2 系统的硬件调试 24结 论 25参考文献 26附录一 27附录二 291 1 引言引言1.11.1 课题的研究背景课题的研究背景在当今这个日新月异的大时代背景下，社会正在

6、不断地向着能够使人们的生活更加舒适的方向发展。从我们的身边随便找出一个事物，就能从中体会到社会在变化，时代在进步。而时代的发展始终离不开科技，其中离我们日常生活最近的一项技术就是步进电机系统控制技术。无论是住宅楼的门禁系统，还是办公时用到的打印机，无论是日常出行时所乘坐地铁或公交的自动门，还是在大型购物商场中的自动扶梯，都用到了步进电机。并且在工业生产过程中用到步进电机控制系统的地方更是数不胜数。总之，步进电机及其控制系统已经进入了人们生活的方方面面，我们与步进电机已经密不可分。以前只有在影视作品中才能见到的人性化智能家居以及智能化大型立体停车场，在步进电机控制系统日趋成熟的今天看来已经不再是难事。我也正是由于儿时对影视作品中的那些在当时看来遥不可及的智能产品充满了无限的向往，一直梦想有朝一日能够参与此类项目的设计与建设。因此决定做这个基于 PLC 的步进电机的运动控制系统课题的研究与设计。1.21.2 我国步进电机控制系统的发展现状我国步进电机控制系统的发展现状步进电机及其控制技术的发展日趋成熟，已经应用到我们身边的各项产品。然而，我国对步进电机及其控制系统的研究成果并不是十分可观。

7、尤其是在高精度步进电机控制系统方面的发展，更是远远落后于世界先进水平。对于普通的步进电机控制系统，它的技术已经不再是秘密，可以说已经赶上了世界先进水平。它的效率已经发挥到了极致，未来即使对其投入再多的人力物力也不会有太大的发展空间。但是，对于高精度的步进电机控制系统的发展，我国的发展现状却是不容乐观。目前虽然有不少中小企业在生产高精度步进电机，但在技术上没有创新，大多处于仿制阶段。其关键技术被几个少数发达国家所垄断。我们要想打破这种局面，在高精度步进电机技术领域不再受制于人，就必须加大研究力度勇于创新，同时鼓励更多的技术人才投入到这项研究中来。因此，我认为对步进电机及其控制系统进行研究是非常有必要的。2 2 总体方案设计总体方案设计2.12.1 设计思路设计思路本设计用到两台步进电机，一台纵向摆放，另一台横向摆放。通过步进电机的转动带动木块及木块上物体的移动，如图 2-1 所示。纵向电机固定在一个水平木板上，有一根螺丝杆和电机轴相连。螺丝杆穿过水平木板上放置的一个场木板。螺丝杆通过步进电机的传动，向正反方向旋转，可以带动长木板向前后两个方向纵向移动。横向电机固定在可移动的长木板一端。同

8、样，也有一只横向的螺丝杆与之轴相连，并穿过另一块放在可移动长木板上的木块。同理，横向螺丝杆也可以通过横向步进电机的传动带动木块向左右两个方向移动。图 2-1 设计模型示意图通过 PLC 及其外部硬件电路来控制两台步进电机的正反转，使与之相连的木块能够向前后左右四个方向移动（如图 2-1 所示） ，通过控制步进电机的转速可以改变木块的移动速度，并且把木块的移动速度显示在一只七段数码管上。最后，利用Kingview 组态王软件绘制系统监控画面。利用总线进行数据传输，实现 PLC 与组态王之间的实时通讯。以达到能够通过手动和利用组态王两种方式控制系统运动状态的目的。2.22.2 各功能模块的简单介绍各功能模块的简单介绍整个系统设计包括硬件设计和软件设计两方面。硬件设计方面主要是步进电机模块、PLC 模块和硬件电路模块的设计；软件设计方面就是组态软件模块和 PLC的程序编写。PLC 模块是整个系统的核心模块，首先把控制指令输入 PLC，由 PLC 内部程序进行变量运算，再把运算结果经输出端输出到硬件电路，最后再由硬件电路按照PLC 的输出指令控制步进电机的转动和数码管的显示。同时，PLC 不断

9、向组态软件发出系统的运行状态信号，或从组态软件处接收控制指令。组态软件就相当于一个监控中心，把系统中的各个部件的运行状态以动画的形式直观地显示到电脑的监控画面上。并且，它还能作为一个简单的控制器来使用。3 3 系统的硬件设计系统的硬件设计3.13.1 步进电机模块步进电机模块3.1.1 步进电机的工作原理步进电机的工作原理就是给步进电机中的每相线圈加上按一定的顺序循环切换的电流，通过电流的循环切换实现每一相线圈所产生的磁场的循环改变。每改变一次磁场，步进电机的转子就会因为受力不平衡，而发生某一特定角度的转动，直到再次受力平衡。这一角度称为步距角。送给线圈的电流由脉冲信号提供，不断地给步进电机的各相线圈加循环切换的脉冲信号。转子就会以一个步距角的角度为单位，不断地一步一步转动，步进电机就是因此而得名。脉冲信号是由驱动装置产生的，本系统设计的驱动装置为 PLC。因此，只要改变 PLC 输出的脉冲信号的切换方向，就会改变步进电机的转动方向；只要改变PLC 输出的脉冲信号的切换频率，就会改变步进电机的转动速度。所以，步进电机的控制就是对给步进电机所加脉冲信号的切换顺序和切换频率的控制。图 3-1 某型号四相步进电机工作原理图如图 3-1 所示为一种反应式四相步进电机的原理图。其中转子有六个齿称为转子齿，每相邻两个转子齿轴线之间的距离称为齿距，用符号表示。图 3-1 所示状态为 D 相线圈通电时的状态。D 相线圈与 0 号转子齿对齐，1 号转子齿与 A 相线圈错开 1/4 的距离；2 号齿与 B 相线圈错开 2/4 的距离；3 号齿与 C 相线圈错开3/4 的距离。如此，4 号齿刚好与 D 相线圈错开的距离。转子每转动一个步距角，转子齿轴线所转动的距离就是 1/4 。因此，图中所示型号四相步进电机的步距角为：360/6/4=15。除了反应式步进电机外还有感应式步进电机。感应式步进电机与反应式不进电机结构不同，它的转子上装有永磁体。它可以更好地迎合定子线圈所产生磁场的变化，工作效率要比反应式步进电机高得多。但是，制作工序复杂成本高人们普遍使用的还是反应式步进电机。3.1.2 步进电机型号及工作方式的

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