PLC与步进电机的运动控制编程

摘要

本课题的难点主要集中在运动控制器上面,因为要知道运动系统是一种很精确的控制技术。主要是对物体位移和转速精确的控制系统。而现如今常见的运动控制器大致为三单元:运动控制器部分,驱动器部分和执行机构部分。要想步进电动机正常工作,就必须先得要用电子装置进行驱动器,于是人们就称他为步进电机驱动器。工作原理,就是把控制设备所释放出来的脉冲信号,进行机械的扩大来用来驱使步进电机。而按照我们目前的所学专业知识,控制和脉冲信号呈正比例增长。所以只要我们准确控制脉冲信号频率,便能够准确控制电动机调速;只要准确控制脉动的数量。我们便能做到对电机的定位。本设计目标是用PLC来调整和控制步进电机。设计中指出了使用模块化的程序划分主程序和子程序。用来仔细的阐述本设计的内容。

第一章PLC与步进电动机的运动控制编程引言

本课程重点讲授基于S7-200PC和步进电动机的车辆运动控制系统程序设计,以车辆的自动往返控制和定位闭环控制为例,力求学生学会并了解PLC、步进电动机、定位检测与光栅尺的综合运用程序设计。

1.1选题意义

最近几年，在科学技术的突飞猛进下，计算机科学与技术也迈上一个新的台阶。因此，我们对步进电机的需求也在不断增加，未来它将广泛应用于各行各业。

1.2 PLC与步进电动机特点

PLC是一款目前比较主流的工业控制电脑,具有非常多的技术优势主要有功能齐全的进一步增强,在使用上灵活简单,维修简便,可以不断增强安全性和抗干扰能力,而且价格比较便宜,且对步进电机也有着非常出色的运动监控功能,甚至可以达到对步进电机运动的完全监控。

步进电动机的优势： (1)步进电动机的角移动和输入脉冲严重地成正反比,电机在运行一圈后就不会积累偏差,而且具备了优异的跟踪性能。(2)步进电机与驱动电路构成的开环数字控制设备。(3)步进电机的动态响应速度快,易启停,正倒转以及变速。(4)转速可在足够宽广的范围内平滑调整,在低速下仍可确保获得的最大扭矩。(5)步进电机只有通过脉波电源供电方可工作,它无法同时通过采用交换开关电源和直流输出开关电源。

步进电机能够正常工作同时保障无失步的步进频率的最大值叫做“启动频率”;同样地，“停止频率”代表着设备的控制信号忽然消失，步进电机不至于错过目标点的步进频率的最大值。此外，设备的启动、停止频率以及输出转矩必须和其负载的转动惯量契合。只要掌握了以上指标，就可以实现对步进电机的调速控制。

选择PLC对步进电机进行控制，必须按照以下计算式对设备的脉冲当量、脉冲频率以及脉冲数目的最大值进行定量分析，从而确定合适的PLC和对应的其他结构。脉冲频率的大小能够决定PLC进行输出的过程中所需的频率，而PLC的位宽取决于脉冲的数目。脉冲当量等于步进电机步距角与螺距之积除以360再除以传动速比;脉冲频率上限等于运动的速度与步进电机细分数之积除以脉冲当量;脉冲数目的最大值等于运动的路程与步进电机细分数之积除以脉冲当量。

要实现PLC对于步进电机的控制，第一步就需要构建坐标系，可设置成相对坐标系或者绝对坐标系。在DM6629字中完成构建，00、01、02与03位与脉冲输出0对应，04、05、06与07位和脉冲输出1对应。如果设成0，则属于相对坐标系;如果设成1时，则是另一种坐标系。

本设计中还通过PLC借助步进驱动器掌控步进电机的工作，这样实现了PLC在步进电动控制中的运用,比较普遍。因此,在对单双轴运动的监控过程中,在监控平台上设置了移动间距、速率和方位等技术参数。PLC在读出上述设定值后,再经过运算产生距离控制脉冲信号、方位等信息,并调节由步进电动机驱动,以实现了对间距、速度、方位控制的目的。并经过实测,证明了控制系统工作结果的具有可靠性、可行性、以及效果。

第二章运动小车装置简介

装置见图6-14，它属于科莱德KLDYD型,其组成部分包括丝杠、光栅尺、运动托盘与步进电机以及若干位移测量传感器等等。其中运动托盘是步进电机借助丝杠驱动的。传感器能够捕捉到运动托盘移动至特定的位置时引发的开关测量信号。光栅尺的功能是精确测出运动托盘移动的相关数据。此外,为了实现对于系统的全面掌控,还必须借助到晶体管输出式的S7-200PLC与步进电机驱动器等等。

　　第三章运动控制与步进电动机

3.1运动控制

(1)运动控制系统简介。

运动控制器是一种涉及如何对运动物体位移和转速实施精确控制的关键技术,经典的运动控制器一般由以下三个部分组成:运动控制器部分、驱动部分和机构部分。其中,运动过程的机构元件一般是步进电动机或伺服电机。由于步进电动机是一类可以把电脉冲变换为角位移的机械机构,其好处是不会积累误差,所以普遍用作各类开环控制系统。如果步进驱动器接受到了某个脉动信息,它就将促使步进电动机按照按规定的方位转向某个恒定的角度,它的运转是以恒定步长进行的。能够根据控制脉动数量来调节角位移率,进而到达精确定位的目的;同样也能够根据调节脉冲频率来调节发电机运转的快慢和加转速,进而到达调速的目的。步进电动机的运转通常需要有一个电子设备加以控制驱动,而这个设备便是步进电动机驱动器,就是将控制器所产生的脉冲信号,加以放大后而驱使步进电动机。步进电动机的工作速率和脉种信息的频数成正比,调节步进电动机脉冲信号的频数,就能够对电机速度准确调快;根据调节步进脉冲的总量,还能够对电器客户定位。因此,经典的步进电动机驱动系统大致上由以下三个模块组成:①控制设备:包括单片机或者PLC;②驱动器方式:将控制设备产生的脉动进行释放,并驱使步进电动机;③步进电动机。

(2)常用术语。

1）步进角:输入1个电脉冲信号对应于转子运动的角。它的值会关系到电机的工作的可靠性。

2）整步:这是最主要的传动机制之一，一个脉冲可以让电机运动过一个步矩角的角度。举例说明:标准两相电机的一周包括两百个基本步矩角，那么，在这种传动机制下，一个脉冲让电机扫过1.8度的角度。

3)半步:这种传动机制可以在单相激磁的过程中，电机的转轴停留于整步位置，当驱动设备接收下一个脉冲以后，如果对另一相激磁同时让原相持续处于激磁形态，那么电机的转轴就会扫过步矩角的一半，运动到2个相邻的整步位置的中间位置。这样就能够让双相线圈先单相再双相激磁，让电机在一个脉冲对应于半个基本步矩角的机制下工作。

4)细分:这种传动机制的含义是设备工作时的真正的步矩角为基本步矩角的若干分之一。举例说明：驱动器在十细分的机制下运行时，步矩角只有设备本来的步矩角的十分之一，这意味着如果设备在整步机制下工作的过程中，只要控制设备发出一个脉冲，设备就扫过1.8度，但如果细分司动器在十细分的机制下运行，设备就只扫过0.18度。细分的机制来源于驱动设备根据精度控制电动机的相电流，和电机本身并没有关联。

5)保持转矩:指在步进电机接通电源但未启动的状态下，定子锁定转子的力矩。这是步进电机最基本的一个指标，一般情况下，电机在慢速运行的过程中，力矩逐渐靠近后维持在转矩，因为电机的输出转矩和速度成负相关的关系，同时输出功率也会受到速度改变的影响，因此维持力矩是步进电机的最关键的一个指标。举例说明:通常我们所说的两牛米的步进电机，就是在无特殊原因的前提下能够把转矩维持在两牛米的电机。

6)制动转矩：指当步进电机未通电时，定子锁定转子的力矩。在中国无统一的翻译机制，因此很可能出现误解。

7)启动矩频特性:在驱动已经确定下来，同时负载的转动惯量固定时，启动频率和负载转矩的联系，也叫做牵入特性。

8)运行距频特性:当负载的转动惯量固定时，工作频率和负载转矩的联系，也叫做牵出特性。

9)空载启动频率:指步进电机可以保障无失步情况出现的脉冲频率的最大值。

10)静态相电流:电机保持静止时一相绕组可以允许的电流的最大值，也就是额定电流。

3.2步进电动机

(1)步进电动机的选型。

步进电动机的选择原则主要包括:

1)首先为驱动器所对应最大电流强度。在分析驱动能力时，可采用额定电流的值来进行衡量,它也是选用驱动的最主要技术指标之一。通常驱动的额定容量要略大于同步机电动机的额定电流,驱动最大电流-.般有20、35、60和80A。

2)其次则是驱动器所对应的供电电压最高值。在对驱动最高升速的工作能力进行分析评价时，可以采用供电电压来作为主要指标,一般情况下，其范围包括了下述：220V(交流)、110V(交流)、80V(直流)、60V(直流)、40V(直流)以及24V(直流)。

3)此外还有驱动器种类。在进行准确度监控方面，常常采用细化面积作为其所需指标,主要是由于该指标增加可使准确度得以增大。在步进电机当中，通常会存在着较为明显的高低频振动的相关特征,如果驱动电机需工作于高低频的共振区当中,则可以采用分类驱动的模式。此外,对比于不分类的情况，分类的输出扭矩将会得以提高。

(2)步进电动机驱动器。

本例中使用的二相混合步进电机所采用的是细分驱动的YKA2404MC型号驱动器,具体见本文的图6-15。主要特性包括:

1)低噪声、平顺性极佳。

2)效率高、低售价。

3)采用八分之十二挡等角度的恒力矩细分,最大二百细分,使转速更加均匀,分辨率提高。

4)所用的控制电路较为特殊,从而实现了良好的降噪效果,促进转动过程平稳性的提升。

5)具有200kpps的反应频率最高值。

6)如果步进脉冲超过100ms,则线圈当中的电压值会减小0.5,从而能够避免出现发电机过度过热的问题。

7)采用的是双极恒流斩波的工作模式,由此可进行更大的功率及转动速度的输出。

8)采用先进的人/机输出方式。

9)其驱动电流具体为0. 1安~4. 0安/相,而且是可调的，具有高度的连续性。

10)对不超过4.0安培的相电流二相电机进行有效的调节。

●其所用的是单电输入的方式,而且电流是从直流12伏到40伏的范围。

●可有效地进行出错保护,此外还具有电压过低、过电流和过热等多种保护功能。

YKA2404MC是等角度的恒动力细分式步进驱动器,其所用的是DC12伏倒40伏范围的驱动电流强度,而且采用的是单电源的形式来进行供电。其适配电流输出低于4.0安培,而且外径为62毫米，其长度则是86毫米，属于非常典型的二相混合步进电机。由于所用的是双极恒流斩波工作模式,从而能够有效地进行降噪,电动机工作时更为稳定;电机驱动系统内电源电压的增加,使电动机的高速工作特性和电器控制驱动力量大大增强;如果步进脉冲停止超过了100毫秒,则线圈中的电流强度将会自动地降低0.5,使电机驱动器的过热工作电流可降低约百分之五十,也使电动机的高温过热工作电流所降低。当脉冲频率的值比较低时，可选择低速度运动高细分的相关技术,从而进一步提高电机运行过程的精度水平,最高达到了二百细分,同时抖动降低,噪声也减小。

(3)步进电动机驱动器的端子与接线。

其接线端子与指示灯等的情况详见本文的图6-16。而在图6-17中则给出了驱动器的具体接线情况。若在+以及Pu等两个端子上添加了5伏大小的直流电源脉冲，那么通过其中的控制部分所输送出来的脉冲信号降会被传输至驱动器当中，后者则可基于脉冲所对应频率值来进行电机速度的准确控制。此外，+与DR端的作用则是进行旋转方向的具体控制,如果在前面所示的两个端子上没有5伏大小的直流电压被施加,那么电动机将会发生正向转动;若上述两个端子之上已经有该电压施加,那么将进行反向转动。此外，可通过MF进行电机制动的控制。在本文的表6-4中详细列出了各个端子的详细说明。

端子说明

标记符号	功能	注释
+	输入信号光电隔离正端	接+5V供电电源+5-+24V都可以驱动,超过+5V则需接限流电阻
PU	D2=OFF时为步进脉冲信号	下沿才生效,当脉部由高变低时电动机走步。输入电阻220Ω。 特点:低电平有效0-0.5V,高电平4-5V,最大脉冲宽度>2.5μs
	D2=ON时为正向步进脉冲信号
+	输入信号光电隔离正端	接+5V供电电源，+5-+24V均可驱动，高于+5V需接限流电阻
DR	D2=OFF时为方向控制信号	用来调整发电机走向,信号输入电阻大小为220Ω, 要求为:低电平有效电流0-0.5V,高电平4-5V,最大脉冲宽度>2.5μs
	D2=ON时为反向步进脉冲信号
+	输入讯号光电隔离正端	接+5V供电电源,+5-+24V都可驱动,若超过+5V则需接限流电阻
MF	电动机释放信号	有效(低电平值)时切断了电动机定子线圈电流,驱动终止工作,但电动机仍保持自由状态
+V	电源正极	DC12-40V
-V	电源负极
AC,BC	电动机接线
+A,-A
+B,-B

(4)步进电动机驱动器的细分设定。

在该驱动器上的看细分开关共计六个。

如图6- 18所示

在本文的表6-5之后详细展示了该驱动器的细分设定情况。

(5)步进电动机驱动器使用注意事项。

在使用该驱动器的时候，应当对下述问题予以重视:

1)应当避免和电源发生反接,此外，其中的输入电流值应当小于或是等于直流40伏。

2)发输人的控制信号电平为5V,但当超出5V时必须连接限流电阻。

　　步进电动机驱动器的细分设定

3)由于此型驱动运用了特别的限制集成电路,因此必须选用六出线或八出线的步进电器。

4)当驱动温度达到70℃时会终止工作,出现故障后零.H指令灯闪烁,直到驱动温度低于50℃,驱动器示自动恢复正常工作。若发现过热保护请马上安装冷却散热器。

5)过电流(电流太大或电压值过小)时故障说明灯O.C灯亮,请检查一下发电机接地及任何短路故障或有无电压过低,若是发电机接地及任何短路故障,清除后必须再次上电修复。

6)驱动接通时绿色说明灯PWR亮。

7)过零点时,TM说明灯在脉冲进入时会点亮。

第四章光栅尺

目前，主要采用光栅尺来进行位置的准确测量,此处将会讨论KA-300型光栅尺的应用。其以脉冲信号来作为所需输出信息，而且通过PLC来进行高速计算，由此即可进行移动方式的测量工作。其信号端子图详见下面的图6- 19,而在表6- 6则列出了不同的芯所具有的主要功能。

　　KA-300光栅尺各芯TTL信号端子的作用

(1)在物理的方位之上，它有三相脉冲信号输出点,其中邻近的两个点之间的距离均为50毫米,如果Z相降1个脉种发送出来,则A或者是B相将有2500个脉冲形成。所以，我们可通过上述两个间所存在的滞后以及超前现象来对物体实际运动方向的准确分析判断。我们可以通过PLC来计算分析上述二个相的脉冲,由此将可准确地获取所需研究的物体具体方位。在本文的图6-20中详细地展示了A与B相所对应的正交脉冲，此外还给出了Z相位所具体对应的脉冲波形情况。此时,A比B相位更加的超前。

　　（2）在下面的图6-21中详细展示了PLC和光栅尺之间的连接情况。其中绿线与蓝线分别进行a脉和 B相脉冲信号的输出；此外白线及黄线则分别对应于三相输出脉冲公共端以及z相的脉冲信号；红线与黑线和直流5伏工作电源相连。因为在该光栅尺当中，进行的是5伏大小的脉冲信号的输出，而且该信号会被转换为一个相应的24伏大小的脉冲信号，再传输至PLC输入点之上。在本文的图6-21当中，若二个相各自的脉冲输出点相互间物理距离的值是50毫米，我们便可利用相关的程序来进行A相和B相位移量参数的分析计算。

　　（3）所采用的调试方法具体为：通过PLC来将高速脉冲发送出去，由此驱动小车使之得以运行，而且通过HSCO高速计数器来进行A相和B相正交脉冲的准确计数，而且以Z脉冲来用作复位信号，对中断事件28进行调用，且利用中断程序来向AC0传送HCO，而且前者的相关数据也就是小车运行了共计50毫米之后的A与B。利用这些数据，我们将可计算相位A和B的每个输出脉冲对应的位移。

设置从Q0.0输出脉冲PTO功能与周期值，并启动输出高脉冲

　　停止从Q0.0输出高速脉冲

　　初始化高速计时器HSC0

　　启动时间为28的中断

第五章基于PLC与步进电动机的小车自动往返控制编程

5.1步进电动机正反转控制系统

通过S7-200PLC来对步进电机进行有效的调节，使之得以实现颠倒方位以及正转等。设定其D为OFF，也就是采用PU来作为所需的步进脉冲信号,此外，DR则是相关的方位调节信息。根据本文的图6-23可知,可以利用Q0.0来进行高速脉冲的传递，使之达到PU端之上,由Q0.1调节步进电动机反转。并相应于车辆的正常运行状态,其输出点分配方式以下:

(1)正转启动: I0. 0。

(2)反转启动: I0. 1。

(3)向左运动:Q0.0发脉冲,Q0.1为OFF。

(4)向右运行: Q0.0发脉冲,Q0.1为ON。

(5)停止运动:Q0.0停止并发出脉冲,Q0.1为OFF。

I/O接线图如图6-23所示。控制程序如图6-24所示。

I/O分配

六、通过PLC与步进电动机的位置闭环控制编程

在通过光栅尺来测量小车位置之后,则可将定位闭环控制体系建立起来,可实现较高的控制精度

1.程序要求

可通过Q0.0技术来将高速脉冲电路串发送倒步进电机之中,而且通过其驱动器来使电机被驱动，从而使车辆得以顺利地行驶。在车辆运动轨道上,设置有定位监测用的DA-300光栅尺,在运动轨道上还设置有左、右行限位控制开关和原定位控制开关,由原点至右行程限位控制开关间距应该等于光栅尺的检测间距。程序完成了如下控制功用:

(1)按下回原位按键,车辆行驶至原位后停车,此时车辆所处的定位坐标系为零。控制系统起动行驶时,首先需要找一个原始地点定位。

(2)如果有右限位或者是左限位的控制电门动作,则车辆需马上停止运动。

(3)确定A地点的相应定位坐标值。按下起动按键,则车辆自动行驶到A点后立刻停车约5s,再自行返回到原点地方为止。在行驶过程中如果按停下键钮则车辆立刻停下,整个行驶过程基本完成。

(4)用光栅尺来测量小车位移。

(5)此处我们可以设行驶轨道的有效值是200毫米,而且原点所对应的具体坐标就是零点,详见本文的图6- 26。

　　（2）I/O分配与接地图如图6-27所示。Q0.0以输出的高速脉冲控制车辆行驶速度,而Q0.1操控卧车辆的行驶方向。Q0.1为OFF时小车向左行驶,而Q0.1为ON时小车辆向右行驶。

（3）用A、B相正交高速度计时器,对光栅尺的A.B相位产生脉动信息,开始高速度计算。对高速度计算选定四X的计算速度。则高速度计时器从零计算到10000个脉冲,相应的点位移变化是50m所以Imm则相应的点脉冲数变化是二百个。如果预设A地点的座标值是60mm,则相应的高速度计时器的当前值为12000。如果预设A点位移则使用控制元件VDO确定,数值范围是0~200m。按下启动按键,对比小车的当前所在地点与A点定位坐标系,如果小车的当前所在地点超过了A点定位坐标系,可限制小车继续向右运动,当行驶至二位装置值相同时会形成一个中断,使车辆马上停下。若小车的当前所在位置低于A点定位坐标系,则控制车辆继续向左行驶,当运行至二定位值相同时会形成一次刹车动作,使车辆迅速停下。若车辆的当前定位地点与A点定位一致,则在按下启动按键后,车辆静止5s后退回原位。

PLC控制程序如图6- 28所示。

高速计数器初始化

　　回原点程序，控制小车向右运行，当小车碰到到原点检测开关就停止

总结

PLC是运动控制这方面的最佳执行元件之一。我通过PLC驱动步进电机的运动过程控制系统的设计。这样使得PLC在步进电机领域的扩展越来越丰富。比如在运动控制器的控制流程里面,在控制面板里面输入了移动距离,车速和方位参数等等。当PLC识别和载入了这些数据之后,它自己就会自动的运算,并同时形成了脉冲信号和方向信息以至于来控制步进电机。由此即可有效地控制方向、速度以及距离。通过测验来证明可靠性,可行性,有效性。

步进电机控制技术发展概况

在现代计算机技术的发展过程中，控制设备脉冲信号发生器是由硬件设备控制的。控制系统通过单个电子元件或集成电路形成调节电路。它不仅调试和配置起来很麻烦，而且还需要消耗大量的组件。如果最终确定，是否需要改变调整方法，或者需要重新设计集成电路。这需要为不同的电机开发不同的驱动器。步进电机开发难度大，成本高，管理难度大，从而对步进电动机的广泛应用带来了很大的影响。但是，因为此类电动机可有效地转换电脉冲而得到相应的离散机械运动，其数字调节方面的特性非常好，所以可采用计算机领域的最新技术成果来发展其驱动源。在计算机以及微电子领域的研究不断发展之后，目前软件和硬件一体化已经逐渐地成为了一种必然的发展趋势。也就是说，控制器脉冲由程序产生并直接驱动硬件系统电路。单片机采用软件对步进电机进行远程控制，以更好地激发步进电机的潜能。所以，可通过单片机来对此类电机进行有效的远程控制，这也很好地适应了数字化时代的发展趋势。

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答谢词

时光如是岁月如歌，转眼间我们就要和亲爱的母校告别了，在完成本次毕业论文工作之后，本阶段的学习也告一段落。回忆起彼时上课听讲，结交新同学的美好时光，不由得心生感慨。

首先我由衷的感谢我的指导教师

PLC与步进电机的运动控制编程

价格 ¥9.90 发布时间 2023年9月13日

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