河北xxxxxx学院
课程设计说明
书
题目：步进电机控制系统
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指导教师：
步进电机控制系统
设计者：xxxxx
指导老师：xxxx
1摘要：
由于步进电机自身的特点、不需要位置、速度等信号反馈，只需要脉冲发生器产生足够的脉冲数和合适的脉冲频率，就可以控制步进电机移动的距离和速度。步进电机的运转方向的控制为输入电机各绕组的通电顺序。例如，一个三相步进电机的通电顺序为：a—ab—b—bc—c—ca—a--.....，此时点击正转，若通电顺序改为：a—ac—c—cb—b—ba—a--.....时点击反转。既可以通过改变环形分配器的脉冲输出顺序，也可以通过编程改变输出脉冲的顺序，来改变输入到各绕组的通电顺序，达到控制电击方向的目的。
关键词：步进电机 PLC 步进电机驱动器
引言步进电机是一种常用的电气执行原件，一种多相或单相同步点击，在数控机床、包装机械等自动控制及检测仪表等方面得到广泛运用。随着plc的不短发展。其功能越来越强大，除了有简单的逻辑功能和顺序控制外，运算功能的加入、pid和各类高速指令、使得plc对复杂和特殊系统的控制应用更加广泛。Plc与数控技术的结合产生了各种不同类型的数控设备。
2 任务与要求
(1) 了解步进电机的原理
(2) 熟练使用PLC控制步进电机，了解步进电机驱动器原理
3 装置原理介绍
3.1控制系统功能框图
在步进电机控制系统中，首先控制步进电机使之稳步启动，然后高速运动，接近制定位置时，减速之后低速运动一段时间，在准确地停在预定的位置上，最后步进电机停留2s后，按照前进时的加速—高速—减速—低速的步骤返回到起始点，其运动状态转换过程平稳，其功能框图如图3.1所以，其简单工作过程如图3.2所示。
由于步进电机本身的结构特性决定了它要实现高速运转必须有加速过程，如果在启动时突然加载高频脉冲，电机会产生啸叫、失步甚至不能启动，在停止阶段也是这样，当高频脉冲突然降到零时，电机会产生啸叫和振动，所以在启动和停止时，都必须有一个加速和减速过程。
3.2步进电机控制系统硬件设计
由于步进电机的硬件结构特性，所以对输入的脉冲的频率有所限制，对于低频的脉冲输出时，plc可以利用定时器来完成。若要求步进电机的速度较快时，就需要用plc的高速脉冲输出指令，这时就需要在程序中设置相应的步骤来完成对步进电机的控制。
3.21 组建器材
（1）主机plc 根据系统的控制要求，采用三菱FX系统系列的plc作为控制器。（2）限位开关此系统中共用了两个限位开关：左限位开关和右限位开关。这两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。
（3）步进电机步进电机是该系统的执行机构
（4）步进电机驱动器步进电机必须使用专用的电机驱动器才能正常工作。Pulse是脉冲的输入端口，每个脉冲的上升沿使电机转动一步；DIR是方向信号，用于控制电机的正、反转：低电平时，顺时针旋转；高电平时，逆时针旋转。
在控制系统中用plc来产生脉冲，输出一定数量的脉冲来控制步进电机的位移，控制脉冲的频率来控制步进电机的速度，步进电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。
根据以上分析，将plc的I/O分配如表3.3
综上所述，根据硬件框图及I/O分配表，设计出该系统的硬件连线图。如图3.4
3.3 步进电机控制系统软件设计
根据系统的控制要求，设计如图3.5所示的控制流程图，这个程序分为3个部分：主程序、子程序、中断程序。
由于不仅电机的启动频率不能太高，所以编程时采用先低频启动，然后升频到高频快速运动，到接近停止位置时，先降频低速运行，到最后设置位置停止，其脉冲频率特性如图3.6
根据图3.6所示的流程图，编写梯形图程序如图3.7所示。3.7（a）所示为控制过程的主程序。主程序完成的主要功能有：在通电的开始，先讲输出口Y0初始化置零；设定电机的转动方向；调用子程序完成步进电机的前行和返回控制；电机的启动和停止（请确认）控制。图3.7（b）所示的梯形图程序为控制程序的子程序，主要完成高速脉冲串输出的参数及网络表设置。图3.7（c）所示的梯形图程序的中断子程序，主要完成一个2s的定时功能。
与图3.7（a）所示梯形图（lad）主程序所对应的语句表（stl）程序如下：
LD X0
RST Y0 //上电的第一个扫描周期对Y0复位
LD X000
OR M0
ANI T1
OUT MO //控制电机前进和返回
LD M0
OUT Y2 //Y2为高时，正转
CALL P10 //调用子程序，设置输出脉冲段
EI
LD M4 //开启中断，脉冲输出完毕后产生中断
AND T1
OUT Y0
CALL P10 //定时到，对Y0复位，调用子程序
LD Y0
ANI T2
OR M2
OUT M2
LD X004
AND M2
OUT M3
CALL P10
LD X005
AND M3
ANI T2
OUT M4
CALL P10
LD X001
OR XOO2
OR X003
OR X004
OR X005
OR M1
OUT M1 //停止和限位控制
END
与图3.7（b）所示梯形图（lad）子程序所对应的语句表（stl）程序如下
LD X1
ANI X002
MOV 16#A5,D0 //写控制字节到特殊寄存器：允许脉冲输出，
//输出，允许更新PTO的周期值和脉冲数，时间基准μs MOV 200,D1 //装入包网表首地址
MOV 4,VB200 //控制过程分4段
MOV 3000,VW201 //启动脉冲频率3000hz
MOV -10,VW203 //周期增量为-10，即每产生一个脉冲，其周期减少10μs，
//该段为加速段
MOV 200,VD205 //脉冲数为200
MOV 1000,VW209 //高速脉冲周期为1000μs
MOV 0,WV211 //该周期增量为0，及为高速脉冲输出
MOV 1000,VD213 //脉冲个数为1000
MOV 1000,VD217 //减速脉冲的起始周期为2500hz
MOV +20,VW219 //周期增量为20，及每产生一个脉冲，其周期增加20μs
//该段为减速段
MOV 100,VD221 //脉冲个数为100
MOV 3000,VW225 //此阶段起始频率为500hz
MOV 0,VW227 //周期增量为0，即为低速脉冲输出
MOV 100,VD229 //脉冲个数为100
PLS 0 //启动脉冲，由Q0.0输出
上电之后首先对输出口进行初始化，然后接下来启动按钮SB0，市Q0.2输出高电平，控制步进电机的驱动器使步进电机正转，并且调用PTO子程序。在子程序中，将各种控制字及参数写入相应的存储器中，把脉冲控制分为4个阶段：变频升速阶段；高频高速阶段；变频减速阶段；低频低速阶段。频率从低到高，电机处于升速阶段，由开始的1000hz到高速阶段的2500hz，均没有超过步进电机的额定数值，这样电机不会出现失步，使定位比较准确。即将达到预设位置时，电机减速运行，频率由2500hz降到500hz之后，低速运行100步到达停车位置停车。脉冲输出完毕后，产生一个中断。在中断子程序中，有一个定时器，中断产生后触发定时器开始定时，2s后定时时间到，T37常闭触电断开，使Q0.2的输出电平为低，他的常开出点闭合，再次对Q0.1进行复位操作，然后调用子程序，并且将脉冲输出中断关闭，这样就使步进电机返回原位之后不会再次自行启动。返回过程与前进工程一样，都是先加速接着高速运行，然后减速、低速运行直到原点停止。运行过程中，在任何时候按下
