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1、目目 录录1 前言前言 11.1 课题的背景和意义11.2 步进电机的概述11.3 可编程控制器概述22 步进电动机步进电动机32.1 步进电动机的工作原理32.1.1 反应式步进电机原理32.1.2 感应子式步进电机52.2 步进电机的特点72.3 步进电机的控制83 可编程控制器（可编程控制器（PLC） 93.1 PLC 的概述 93.1.1 可编程控制器(PLC)的简介93.1.2 可编程控制器（PLC）的运行113.1.3 可编程控制器（PLC）的应用领域123.2 SIMATIC S7-200 系列 PLC 的硬件结构及选型133.2.1 SIMATIC S7-200 系列 PLC
2、工作原理163.2.2 SIMATIC S7-200 的的保养184 s7-200 系列系列 PLC 控制三相单三拍电动机控制三相单三拍电动机204.1 三相单三拍进电动机的控制方案204.2 主控单元的程序设计 204.3 控制单元主程序21江苏徐州机电工程高等职业学校 2011 届高职毕业设计（论文） 第 - 1 - 页 4.3.1 程序说明23结束语结束语25谢辞谢辞 26参考文献参考文献 271 前言1.1 课题的背景和意义本课题的研究内容是基于 PLC 的工业控制系统设计一个步进电机的控制。可编程控制器（简称 PLC 或 PC）是在继电器控制的基础上产生的一种新型的工业控制装置，是将
3、微型计算机技术、自动化技术及通信技术融为一体，应用到工业控制领域的一种高可靠性控制器。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、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、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。1.2 步进电机的发展概况步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。当时应用最多的是线切割机，都是快走丝的。线切割
4、机的 X-Y 平台丝杆就用步进电动机驱动。当时的图纸是全国公开，给个晒蓝图的费用就行了。原始的电路设计，机械设计，电动机设计的元老，应该有网友将他们的名字和个人简历，工作经历发上来。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面
5、提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现 闭环直线位移控制。江苏徐州机电工程高等职业学校 2011 届高职毕业设计（论文） 第 - 2 - 页 国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。中国不是
6、有不少电机专业、工业控制专业、数学系统先进控制专业的强人？这些问题应该他们来回答为准确，我是下岗无业者。步进电机的细分控制，在改革开放初期，国内就已经基本掌握，这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多。1.3 可编程控制器概述SIMATIC S7-200 系列可编程控制器是德国西门子（Siemens）公司生产的具有高性能价格比的微型可编程控制器。由于它具有结果小巧，运行速度高，价格低廉及多功能多用途等特点，因此在工业企业中得到了广泛的应用。由于可编程控制器作为一种通用的工业控制器，它可用于所有的工业领域。当前国内外已广泛地将可编程控制器成功的应用到机械、汽车、冶金、石油、化工、轻工、纺织、交
7、通、电力、电信、采矿、建材、食品、造纸、军工、家电等各个领域，并且取得了相当可观的技术经济效益。因此，我们研究此课题具有深远的意义。江苏徐州机电工程高等职业学校 2011 届高职毕业设计（论文） 第 - 3 - 页 2 2 步进电机步进电机2.1 步进电机的原理步进电机是脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 步进电机是一种感
8、应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。鉴
9、于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。 2.1.12.1.1 反应式步进电机原理反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 江苏徐州机电工程高等职业学校 2011 届高职毕业设计（论文） 第 - 4 - 页 一、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3 、2/3 ,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示） ，即 A 与齿 1 相对齐，B 与齿 2 向右错开 1/3 ，C 与齿 3 向右错开 2/3 ，
10、A与齿 5 相对齐， （A就是 A，齿 5 就是齿 1）下面是定转子的展开图： 二、旋转： 如 A 相通电，B，C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐， （转子不受任何力以下均同） 。 如 B 相通电，A，C 相不通电时，齿 2 应与 B 对齐，此时转子向右移过 1/3 ，此时齿 3 与 C 偏移为 1/3 ，齿 4 与 A 偏移（-1/3 ）=2/3 。 如 C 相通电，A，B 相不通电，齿 3 应与 C 对齐，此时转子又向右移过 1/3 ，此时齿4 与 A 偏移为 1/3 对齐。 如 A 相通电，B，C 相不通电，齿 4 与 A 对齐，转子又向右移过 1/3 这样经过 A、B、
11、C、A 分别通电状态，齿 4（即齿 1 前一齿）移到 A 相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按 A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3 ,向右旋转。如按 A，C，B，A通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用 A-AB-B-BCC-CA-A 这种导电状态，这样将原来每步 1/3 改变为 1/6 。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3 变为 1/12 ，1/24 ，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有 m 相励磁绕阻，其轴线分别
12、与转子齿轴线偏移 1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 江苏徐州机电工程高等职业学校 2011 届高职毕业设计（论文） 第 - 5 - 页 三、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量 ）当转子与定子错开一定角度产生力 F 与（d/d）成正比 S 其磁通量 =Br*S Br 为磁密，S 为导磁面积 F 与 L*D*Br 成正比 L 为铁芯有效长度，D 为转子直径 Br=NI/R NI 为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R 为
13、磁阻。 力矩=力*半径 力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态） 因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。 2.1.22.1.2 感应子式步进电机感应子式步进电机 一、特点： 感应子式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 感应子式某种程度上可以看作是低速同步的电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行
14、。 （必须采用双极电压驱动） ，而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为 C=,D=. 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相） ，这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。 二、分类江苏徐州机电工程高等职业学校 2011 届高职毕业设计（论文） 第 - 6 - 页 感应子式电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）
