基于PLC的步进电动机控制系统研究_图文

2012 年 7 月 第 27 卷 第 4 期

咸阳师范学院学报 Journal of Xianyang Normal University

[理论物理与应用物理学研究]

Jul.2012 Vol.27 No.4

基于 PLC 的步进电动机控制系统研究

樊战亭,张小青

(咸阳师范学院 物理与电子工程学院,陕西 咸阳 712000) 摘 要:依据步进电动机的工作原理以及控制方法,提出了步进电动机控制系统的设计方 案。使用西门子 CPU224 可编程控制器作为核心控制器设计出步进电动机控制系统,可以实现对

三相步进电动机速度、正反转、三相单三拍、三相六拍等多种运方式的控制。给出控制系统软硬件

的实现方法,整个控制系统结构简单,功能较强,可靠性高。

关键词:可变程序控制器;步进电动机;控制系统

中图分类号:TM359.9 文献标识码: A

文章编号:1672-2914(2012)04-0023-04

Research on Control Systems for Stepping Motor Based on PLC
FAN Zhan-ting,ZHANG Xiao-qing
(School of Physics and Electrical Engineering, Xianyang Normal University, Xianyang 712000, Shaanxi , China)
Abstract:According to working principle and control method of stepper motor, the design scheme of the control system of stepper motor is discussed. Micro PLC of SIMENS is chosen as controller to work out the control system of stepper motor. Multiple control modes including speed, direction, three-phase three steps and three-phase six steps can be implemented in the control system. The control system is simple, functional, high reliability.
Key words: programmable controller; stepper motor; control system

步进电动机是一种由电脉冲控制的电动机,其作 用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或线位移[1]。 步进电动机是自动控制系统和数字控制系统中广泛 应用的执行元件,例如在数控机床、打印机、绘图仪、 机器人控制等场合都有应用[2]。步进电动机的角位 移与脉冲数成正比,其转速 n 与脉冲频率 f 成正比。 在负载范围内,这些关系不因电源电压、负载大小以 及环境条件的波动而变化。步进电动机适用于在开 环系统中作执行元件,使控制系统大为简化[3]。对步 进电动机控制可以使用可编程序控制器 PLC、单片 机、可编程逻辑器件等实现[4]。可编程逻辑器件、单 片机控制步进电动机因电路复杂、编程麻烦、可靠性 较差在工业控制中应用较少。PLC 稳定可靠、结构 简单、功能强大和使用方便已经成为应用面特别广

泛的通用工业控制装置。根据三相步进电动机的原 理和工作方式, 提出了步进电机控制系统的设计方 案,具体研究了以西门子 PLC 为控制器实现步进电动 机速度、多种运行方式控制的硬件、软件控制系统。
1 步进电动机控制系统总体设计
要设计出效果良好的步进电机控制系统,必须 对步进电机的工作原理和工作方式进行探讨。 1.1 步进电机工作原理及其工作方法
步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移的开 环控制执行部件。步进电动机能直接接收数字量的 输入,实现循环性运动,特别适合于 PLC 控制[5]。
步进电机按励磁相数可分为三相、四相、五相、 六相等。图 1 是一台三相六极反应式步进电动机示 意图,其定子上有六个极,每极上都绕有线圈,并将

收稿日期:2012-04-27 基金项目:咸阳师范学院科研基金项目(05XSYK221)。 作者简介:樊战亭(1973-),男,陕西户县人,咸阳师范学院物理与电子工程学院讲师,硕士,主要从事电机控制方面的教
学和科研工作。

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咸阳师范学院学报

相对的极上的绕组连在一起组成电机的一个相。转 子圆周上分布 4 个齿且齿上无绕组。当 A 相绕组通

控制开关

PLC 控制器

脉冲控制输入

第 27 卷

驱动电路

步进电动机

(a)

(b)

(c)

(d)

图 1 步进电机运行示意图

电时,因磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合,故使

转子齿 l、3 和定子极 A 相对齐,如图 1(a)所示。A 相

断电,B 相绕组通电时,转子将在空间转过一个步距

角,使转子齿 2、4 和定子极 B 相对齐,如图 1(b)所

示。B 相断电,C 相绕组通电时,转子又将在空间转

过一个步距角,使转子齿 l、3 和定子极 C 相对齐,图 1

(c)所示。按 A—B—C—A 的顺序循环通电,电动机

便按逆时针方向(正转)转动。若按 A—C—B—A 的

顺序通电,则电动机顺时针转动(反转)。上述运行

方式称为三相单三拍[6],三相步进电动机还有三相双

三拍和三相六拍的运行。三相双三拍运行方式有:

AB—BC—CA—AB(正转)和 AC—CB—BA—

AC(反转);三拍为一个循环,其步距角与三相单三

拍 运 行 方 式 相 同 。 三 相 六 拍 的 通 电 顺 序 为 :A—

AB—B—BC—C—CA—A(正转)或为 A—AC—C—

CB—B—BA—A(反转)。三相六拍方式运行时步距

角为三拍运行方式的一半。步进电动机的转速由绕

组与电源接通或断开的变化频率控制,通电频率越

高,转速越快;反之,转速越慢。

1.2 控制系统原理和组成

步进电机的驱动电路,要能够控制步进电机各

相励磁绕组电信号的通电断电变化频率、脉冲数和

通电顺序。步进电机的控制方式,主要通过按顺序

给绕组施加有序的脉冲电流,以控制电机的转动,来

实现数字脉冲到机械角度的转换。步进电动机控制

机系统结构图如图 2 所示,各个部分的功能如下:

PLC 控制器:根据指令将脉冲按一定的顺序加

在功率放大电路的控制输入上来控制步进电机各相

负载

图 2 步进电机控制系统结构框图
绕组的通断,以实现电机的速度、正转与反转控制, 是整个控制系统的核心。
驱动电路:PLC 控制器输出电流小,不能直接驱 动步进电机转动。步进电动机驱动电路是一个功率 开关电路,提供给步进电机足够功率的控制信号。可 使步进电动机能输出足够的转矩以驱动负载工作。
2 控制系统硬件的设计
控制系统硬件的核心使用可编程控制器 PLC, PLC 选用西门子公式的整体式 CPU224,其具有可靠 性高、功能强、体积小等优点[7]。 2.1 输入/输出端子地址分配及接线图
为了实现步进电机速度、正转、反转、三相单三 拍和三相六拍等多种运行方式的控制,需要 7 个输入 控制信号,因此输入端子选用 I0.0 到 I0.6 共七个端 子,其中 I0.0 为启动开关,I0.1 为停止开关,I0.2 至 I0.6 是控制步进电机运行方式的选择,其中 I0.2 与 I0.3 是控制正、反转的选择;I0.4 是控制三相单三拍 运行方式,I0.5 是控制三相六拍运行方式;I0.6 是对 速度的选择。输出端子地址为 Q0.0、Q0.1、Q0.2,分 别控制三相步进电机 A、B 和 C 相绕组的接通和断 开,实现步进电机的不同运行方式。硬件电路连接 图如图 3 所示。

S0 I0.0
S1 I0.1
S2 I0.2
S3 I0.3
S4 I0.4
S5 I0.5
S6 I0.6

Q0.0 Q0.1 Q0.2

电源

驱动电路

M

COM

GND

图 3 步进电机控制系统接线图

第4期

樊战亭:基于 PLC 的步进电动机控制系统研究

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2.2 驱动电路构成 驱动电路如图 4 所示。驱动电路原理如下:当
PLC 输出端给 R3 电阻输入一个高电平时,T1 的发射 结正向偏置导通,T1的集电结也随着导通,光耦 U1的 发光二极管导通并发光,光电三极管将光能转换为电 能,连接 24V 的 R4、R5回路导通,R4和 R5别分压使 T2基 极电压降低,T2发射结导通,然后 T2的集电结导通,相 连的三相步进电机绕组通电。如果 PLC 输出端为低 电平,则 L1绕组不能通电或者通由电变为断电。
+24V

先进行速度的选择,判定 I0.6 是否为 1,若为 1 则为转 速快的运行方式,若不是,则为转速慢的运行方式。 如果为转速慢的运行方式,判定 I0.0 是否为 1,为 1 则 启动。启动后判定运行工作方式,在 I0.2=1 的情况 下,为正向运转,当 I0.4=1 时为正向单三拍运行方 式;当 I0.5=1 时,为正向六拍运行方式。在 I0.3=1 的 情况下。为反向运转,当 I0.4=1 时为反向单三拍运 行方式;当 I0.5=1 时,为反向六拍运行方式。若为转 速快的运行方式,判定原理同上。 3.2 三相单三拍运行方式的实现
三相单三拍正转运行方式主要实现程序如图 6

+5V R4 1kΩ T2

M1.0

M1.1 /

T37

LN

TON

R3 500Ω

PLC 输

出端子 R1

T1

300Ω

R2 10kΩ

U1

R5 2kΩ

步进电动 机绕组

图 4 步进电动机的驱动电路

3 控制系统软件设计
控制软件主要包括:运行控制方式选择、三相单 三拍运行方式的实现、三相六拍运行方式的实现等 三部分主要程序。 3.1 运行控制方式选择
步进电机运行方式的主要流程如图 5 所示 。首
开始

是 I0.6=1

转速慢

转速快

否 I0.0=1


停止

否 I0.0=1


I0.2=1 I0.4=1

I0.2=1 I0.5=1

I0.3=1 I0.4=1

I0.3=1 I0.5=1

I0.2=1 I0.4=1

I0.2=1 I0.5=1

I0.3=1 I0.4=1

I0.3=1 I0.5=1

正向单三 拍运行

正向六 反向单三 反向六 正向单三 正向六 反向单三 反向六 拍运行 拍运行 拍运行 拍运行 拍运行 拍运行 拍运行

图 5 步进电机运行方式控制流程图

T37

M1.1 VW PT

正向单三拍控制运行

M1.1

10.2

10.4

10.5

/

M5.0 /

M6.0 /

M7.0 /

SHRB

EN

ENO

M3.0 DATA
M15.0 S-BIT +3 N

图 6 三相单三拍转运行方式实现

所 示 。 当 启 动 开 关 I0.0 为 1 时 把 M1.0 置 1(ON), M1.0、M1.1 和 T37 构成一个时间脉冲,脉冲的长短 由 VW0 决定。I0.6 为 ON 时,给 VW0 赋值较小,时间 脉冲较短,步进电动运行速度快。反之,I0.6 为 OFF 时,给 VW0 赋值大,电机速度慢。三相单三拍由 A—B—C—A 循环实现,其有 3 个状态,在程序中通 过移位寄存器指令 SHRB 实现,在 I0.2 正转为 ON, I0.4 为 ON 且 I0.5 为 OFF 时 工 作 方 式 为 三 相 单 三 拍。 SHRB 指令控制中间标记位 M15.0、M15.1 和 M15.2 依次循环为 ON,最后通过 3 者分别控制输出 Q0.0、Q0.1 和 Q0.2 实现对步进电机的控制。反转 时,利用 SHRB 指令控制 M16.0、M16.1 和 M16.2 分 别控制 Q0.0、Q0.2 和 Q0.1 来实现。 3.3 三相六拍运行方式的实现
三相六拍正转运行方式主要实现程序如图 7 所 示,其实现方式与三相单三拍运行方式类似。三相 六拍有 6 个状态分别为 A—AB—B—BC—C—CA— A,6 个状态分别由 M17.0 到 M17.5 表示,当 M17.0 为 ON 时,控制 Q0.0 为 ON;M17.1 为 ON 时,控制 Q0.0

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咸阳师范学院学报

第 27 卷

正向六拍控制运行

M1.1

10.2

10.5

10.4

/

M4.0 /

M5.0 /

M7.0 /

SHRB

EN

ENO

M3.0 DATA M17.0 S-BIT
+6 N
图 7 三相六拍正转运行方式的实现

和 Q0.1 同时为 ON;其余状态依次类推。反转时,6 个状态有 M18.0 到 M18.5 进行表示,并控制相应的输 出继电器。
4 实验
4.1 软件调试步骤和方法 打开 STEP-7 Micro/WIN32 软件,进入程序编辑
窗口。根据控制要求编写出程序,在实验台上进行 连线,具体按照图 3 硬件连接进行连线。对程序进行 编译及改错后,将程序下载至 PLC 中。把 PLC 运行 模式选择开关置于“TERM”模式上。 利用程序控制 PLC 程序运行,并将“调试”菜单下的“程序状态”打 开,进行程序的调试和监控。图 8 为控制程序调试 图,图中蓝色的方块表示的是能流为“ON”,表示线 路导通;无蓝色表示断开[8]。此种方式可为程序调试 提供很多方便。

图 8 程序调试图
4.2 实验结果 闭合启动按钮 I0.0 后,控制 I0.6=1,即转速快的

运行方式,在这种工作方式下,令 I0.2=1,I0.4=1,此时 为单三拍运行方式,与其各相所对应的输出继电器 通断顺序为 A—B—C—A,步进电机快速正转。令 I0.3=1,I0.4=1 时,为反向单三拍运行方式,相应的输 出继电器通断顺序为 A—C—B—A,步进电机快速反 转。当 I0.2=1,I0.5=1 时,为正向六拍运行方式,与其 各相所对应的输出继电器通断顺序为 A—AB—B— BC—C—CA—A;当 I0.3=1,I0.5=1 时,为反向六拍运 行方式,与其各相对应的输出继电器通断顺序为 A— AC—C—CB—B—BA—A。当 I0.6=0 时 ,所 对 应 的 为电机低速运转。实验结果与控制要求相符,满足 系统控制要求。
5 结论
根据步进电动机的特点、原理及其运行方法,以 西门子 S7-200CPU224 为核心,设计了能实现多种运 行方式步进电机控制系统。控制系统能够实现步进 电机在不同转速时三相单三拍、三相双三拍、三相六 拍运行方式和正、反转的控制。整个系统主要功能 通过软件编程来实现,硬件简单可靠,功能较强,可 靠性高。
参考文献:
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[5]王立红.基于 PLC 的步进电机行程控制[J].组合机床与自动 化加工技术,2008(11):44-46.
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