基于plc的步进电机控制系统设计

摘要

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

步进电机是将电脉冲信号变换成机械角位移的一种装置，每个脉冲使转轴步进一个步距角增量，输出角位移与输入脉冲数成正比，转速与输入脉冲成正比，转速与输入脉冲频率成正比。步进电机的控制方式简单，属于开环控制，且无累积定位误差，有较高的定位精度，而PLC作为一种工业控制微机，是实现电机一体化的有力工具，因此基于PLC的步进电机控制技术已广泛用于数字定位控制中。

本控制系统的设计，由硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计主要包括步进电机的工作原理、步进电机的驱动电路设计、PLC的输入输出特性、PLC的外围电路设计以及PLC与步进电机的连接与匹配等问题的实现。软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序，最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。

关键词 ：步进电机、PLC、转速控制、方向控制

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哈尔滨理工大学学士学位论文 Stepping motor control system based on PLC

Abstract

With the development of microelectronics and computer technology, the stepper motor is increasing demanded, which is widely used in printers, electric toys and other consumer products, and CNC machine tools, industrial robots, medical equipment and other electrical machinery products, and is applied in the national economy in various fields. Researching of stepper motor control system to improve the control accuracy and response speed, energy conservation is so important.

Stepper motor is a device which will transform electrical pulses into mechanical angular displacement so that Shaft of each pulse to a step angle stepping increment, SO output angular displacement is proportional to the input pulses, speed is proportional to the input pulse speed and speed is proportional to input pulse frequency. Stepper motor control is simple, is open-loop control, and no accumulation of positioning error, a high positioning accuracy,and the PLC as an industrial control computer, is a powerful tool for the integration of the motor, Therefore, the stepper motor control based on PLC technology has been widely used for digital positioning control.

The control system consists of hardware and software design of two parts. Among them, the hardware design includes the working principle of stepper motor, stepper motor drive circuit design, PLC input and output characteristics, PLC and PLC external circuit connection with the stepper motor and matching Problem. Software design, including the main program and each module of the control program, ultimately realizes on the stepper motor rotation direction and rotation speed control This system has the intelligence, practicality and reliability features.

Keywords ： Stepper motor, PLC, speed control, direction control

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目录

摘要 ...................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................... II

基于PLC步进电机控制系统 ................................................................................ I 第1章 绪论 .......................................................................................................... 4 1.1 课题背景 .................................................................................................. 4 1.2 问题的提出 .............................................................................................. 5 1.3 设计目的及系统功能 .............................................................................. 5 第2章 PLC及步进电机的概述 ........................................................................... 7 2.1 PLC的基本概念 ...................................................................................... 7 2.2 PLC的基本结构 ........................................................................................ 7 2.3 PLC的特点 ................................................................................................ 8 2.4 步进电机的特性 .................................................................................... 10 2.5 步进电机的种类 .................................................................................... 10 2.6 反应式步进电机的控制 ........................................................................ 11 2.7 本设计所用步进电机 ............................................................................ 15 第3章 硬件电路设计 ........................................................................................ 17 3.1 硬件设计思路 ........................................................................................ 17 3.2 总设计图框 ............................................................................................ 17 3.3 外围电路设计及分析 ............................................................................ 18 3.4 LED数码显示器电路 .............................................................................. 26 3.5 步进电机控制系统电路图 .................................................................... 28 第4章 软件的设计 ............................................................................................ 30 4.1 可编程序控制器的工作原理 ................................................................ 30 4.2 存储空间的计算 .................................................................................... 31 第5章 PLC控制程序设计 ............................................................................ 32 5.1 PLC提供的编程语言 .............................................................................. 32 5.2 PLC实用驱动电源控制环节 .................................................................. 34 结论 .................................................................................................................... 38 致谢 .................................................................................................................... 40 参考文献 ............................................................................................................ 41 附录 .................................................................................................................... 42

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第1章 绪论

1.1 课题背景

在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产还是在日常生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。因此对电动机的控制变得越来越重要了。电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术化。

步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，其原理是通过对它每相线圈中的电流和顺序切换来使电机作步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。通俗地说:当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及步进角)。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的，现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR)、永磁式步进电机(PM),混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.50;反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.50，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8“而五相步进角一般为0.720。这种步进电机的应用最为广泛。

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1.2 问题的提出 二十一世纪的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。步进电机是最常见的一种控制电机，在各领域中得到广泛应用。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，其优点是结构简单、运行可靠、控制方便。尤其是步距值不受电压、温度的变化的影响、误差不会长期积累的特点，给实际的应用带来了很大的方便。它广泛用于消费类产品（打印机、照相机）、工业控制（数控机床、工业机器人）、医疗器械等机电产品中。研究步进电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。为此，本文设计了一个基于PLC的步进电机控制系统，可以实现对步进电机转动速度和转动方向的高效控制。

1.3 设计目的及系统功能

设计的目的是以单片机为核心设计出一个步进电机控制系统。本系统采用FX2N系列PLC作为控制单元，通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。

通过本课题，一方面我们在查阅资料的基础上，了解FX2N系列PLC- V -

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控制的一些基本技术，掌握其控制系统的分析方法与实现方法,能对PLC外围电路设计进行系统学习与掌握；另一方面，通过设计步进电机控制系统的硬件电路，控制程序和相应的电路图，以此培养自己的自学和动手能力，从而为今后参加工作或进一步深造打下良好的基础。

设计的步进电机控制系统有以下功能： 1. 步进电机的启停控制 2．步进电机的正反转控制 3. 步进电机的加速控制 4. 步进电机的减速控制

5. 步进电机通电方式改变的控制

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第2章 PLC及步进电机的概述

2.1 PLC的基本概念

可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。

PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会

（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。” 2.2 PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示： - VII -

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a. 中央处理单元(CPU)

中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 b、存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

C、电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。 2.3 PLC的特点

(1)高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控- VIII -

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制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

⑵ 配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

⑶ 易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 ⑷ 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 ⑸ 体积小，重量轻，能耗低 - IX -

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以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 2.4 步进电机的特性

步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰是计算机所擅长处理的数据类型。从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路，今天，在打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中，步进电机都是不可缺少的组成部分之一。总体上说，步进电机有如下优点：

⑴ 不需要反馈，控制简单。

2．与微机的连接、速度控制（启动、停止和反转）及驱动电路的设计比较简单。

3．没有角累积误差。 4．停止时也可保持转距。

5．没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。 6．即使没有传感器，也能精确定位。

7．根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。但是，这种电机也有自身的缺点。

8．难以获得较大的转矩 9、不宜用作高速转动

10．在体积重量方面没有优势，能源利用率低。

11．超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。 2.5 步进电机的种类

目前常用的步进电机有三类： 1、反应式步进电动机（VR）。

采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步- X -

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距角可以做的相当小，但动态性能相对较差。

2、永磁式步进电动机（PM）。

转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是7.50。它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。

3、混合步进电动机（HB）。

这是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。 2.6 反应式步进电机的控制

反应式步进电机，是一种传统的步进电机，由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动。

反应式步进电机工作原理比较简单，转子上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。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。市场上一般以二、三、四、五相的反应式步进机居多。

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应用领域：反应式步进电机主要应用于计算机外部设备、摄影系统、光电组合装置、阀门控制、核反应堆、银行终端、数控机床、自动绕线机、电子钟表及医疗设备等领域中。

图2-2 四相反应式步进电动机的结构

图2-2是一台四相反应式步进电机的结构示意图。定子铁心由硅钢片叠成，定子上有8个均匀分布的磁极，每个磁极上又有若干小齿（本例为5个）。各个磁极上套有线圈，径向相对的两个磁极上的线圈是一相。转子也是由硅钢片叠成的，若干小齿（本例为50个）在圆周上均匀分布，但转子上没有绕组。根据工作要求，定子小齿的齿距必须等于转子小齿的齿距，且转子的齿数有一定限制。 定义每个小齿所占有的角度为齿距角：

t- XII -

360Zr………………………………………………………………

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（2-1）

式中 t为齿距角。Zr为转子小齿数。 定子一个极距所对的转子小齿数为：

Zrq……………………………………………………………………

2m（2-2）

式中 m为相数。

设电机为四相四拍通电方式。当A相控制绕组通电时，产生了沿A-A’极轴方向的磁通，由于磁通力图通过磁阻最小路径，使转子的作用而转动，直到转子磁轴线和定子磁极A-A’上的磁轴线对齐为止。因为转子共有50个齿极，每个齿距角t7.2，定子一个极距所对的转子齿数为

1q6，不是整数，因此当A-A’极下的定、转子齿轴线对齐时，相邻的

4两对磁极B-B’和D-D’极下的齿和转子齿必然错开1/4齿距角，即

b1.8。这时，各相磁极的定子齿与转子齿的相对位置如图

示。

2-3 所

如果断开A相而接通B相，产生沿B-B’极轴线方向的磁通，同样在反应转矩的作用下，转子按顺时针方向转过1.8，是转子齿轴线和定子磁极B-B’下的齿轴线对齐。这时，A-A’和C-C’极下的齿与转子齿又错开

1.8。以此类推，控制绕组按A→B→C→D→A…的顺序循环通电时，转子就按顺时针方向一步一步连续地转动起来。没换接一次绕组，转子转过1/4齿距角。

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1 0 t

4

11t t 24

图2-3 A相通电时定、转子齿的相对位置 显然，如果要使步进电机反转，只要改变通电顺序，即按A→D→C→B→A…的顺序循环通电时，则转子便按逆时针方向一步一步地转动起来，步距角同样为1/4齿距角，即b1.8。

如果运行方式改为四相八拍，通电方式为A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A…，即单相通电和两相通电相间时，步距角为四相四拍运行时的一半，即b0.9。

当步进电机运行方式为四相双四拍时，当AB→BC→CD→DA→AB…方式通电时，步距角与四相单四拍运行时一样，为1/4齿距角，即

b1.8。

由此可见，步进电机的步距角

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b由转子齿数Zr、定子相数

m和通

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电方式所决定，即：

36003600tb……………………………………………

mCZrNZrN（2-3）

式中 C——状态系数，采用单双通电方式时C=2,采用单或双通电方式时C=1。 N——拍数。

既然每个控制脉冲使步进电机转过一个b，电机实际角位移应为：N'b 式中N’——控制脉冲的个数。

若步进电机所加的通电脉冲频率为f，则其转速为：

b60fnfmcZr6（2-4）

……………………………………………………

由于在一个通电循环内控制脉冲的个数为N（拍数），而每相绕组的供电脉冲个数却只有一个，因此定子相绕组的供电频率

f为：

ff N可见，步进电动机在不失步、不丢步的前提下，其转速和转角与电压、负载、湿度等因素无关，因而步进电机可直接采用开环，简化控制系统。

2.7 本设计所用步进电机

本设计中所用的是三相反应式步进电动机，其工作原理与上述四相步进电动机相同。其转子小齿为80个，因此齿距角t4.5。其采用三种运行方式，分别为“三相单三拍”、“三相单双六拍”和“三相双三拍”。

三相单三拍的通电顺序为A→B→C→A…,不断接通与断开控制绕组，转子就按顺时针方向一步一步地转动起来，每换接一次绕组，转子转过1/3齿距角，即b1.5。如果要使电动机反转，只要改变通电顺序，即- XV -

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按A→C→B→A…顺序循环通电。

当运行方式改为三相单双六拍时，通电方式为A→AB→B→BC→C→CA→A…,即单相通电与两相通电相间，步距角为三相单三相运行时的一半，即b0.75。其三相绕组的波形图如2-4所示。当步进电机反转时，其通电方式应该为A→AC→C→CB→B→BA→A…,其步进角与正转相同。

当步进电机再改为三相双三拍运行时，其通电方式为AB→BC→CA→AB…，步距角与三相单三拍时一样，为1/3齿距角，即b1.5 。当其反转时，通电方式改变为AB→AC→CB→BA…。

图2-4 步进电机两相绕组的电流脉冲波形

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第3章 硬件电路设计

3.1 硬件设计思路

步进电机控制系统共分为三个模块：按键控制模块、数码显示模块、步进电机驱动模块。

键盘控制模块包括启动键、停止键、点动控制键、速度控制键、方向控制键和步进电机通电方式改变的控制。其中启动键接于PLC的X0端口；键接于PLC的X1端口；点动控制键接于PLC的X2端口，实现对步进电机的点动控制；而速度控制键分为4个不同的速度等级，有小到大分别接于PLC的X3、X4、X5和X6端口，实现对步进电机在不同转速下运行的控制要求；方向控制键接于PLC的X7端口，实现对步进电机正反转的控制；通电方式改变按钮接于PLC的X8端口，实现对步进电机通电方式改变的控制。

数码显示模块采用共阳极数码管来动态显示步进电机的实际转动速度。利用三极管为数码管的com端提供高电平。PLC的Y3-Y6端口提供数码管的段选信号，PLC的Y7-Y10端口控制数码管的位选信号。

步进电机驱动模块采用恒频斩波细分驱动电路，通过接收PLC发出的脉冲信号来控制步进电机完成各种操作。由于本设计中采用三相反应式步进电机，因此需要采用三支完全相同的驱动电路分别控制电机两相绕组的电流，而由PLC的Y0、Y1和Y3端口分别提供控制两相绕组的脉冲信号。

3.2 总设计图框

总设计图如图2-1所示。 - XVII -

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图3-1总体设计框图

说明如下：

1.PLC接受键盘信息，改变系统内部变量值。 2.PLC输出脉冲信号，控制步进电机转动。

3.PLC根据步进电机实际转动值，控制数码管显示。 3.3 外围电路设计及分析

键盘在单片机应用系统中能实现向PLC输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。键盘实质是一组按键开关的集合。键盘所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。

机械开关应接到PLC的开关量输入接口进行开关控制，PLC的开关量输入接口的作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。开关量输入接口按可接纳的外信号电源的类型不同可分为直流输入单元和交流输入单元，如图2-5、图2-6所示。

图3-2直流输入单元

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图3-3 交流输入单元

从图中可以看出，输入接口中都有滤波电路及耦合电路。滤波有抗干扰的作用，耦合有抗干扰及产生标准信号的作用。图中输入口的电源部分都画在了输入口外（虚线框外），这是分体式输入口的画法，在一般单元式可编程控制器中，输入口都使用可编程本机的直流电源供电，不再需要外接电源 。

本设计中采用的是直流输入单元，即如图2-8所示。

一个电压信号在机械触点的断开、闭合过程中，都会产生抖动，一般为5—10ms；两次抖动之间为稳定的闭合状态，时间由按键动作所决定；第一次抖动前和第二次抖动后为断开状态。

按键的闭合与否，反映在输出电压上就是呈现出高电平或低电平。通过对输出电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。在本设计中，高电平表示按键断开，低电平表示按键闭合状体。并且，为了能直观形象的表示按键闭合与否，还为每个按键相应增加了发光二极管，按键断开时，发光二极管灭，当有键闭合时，- XIX -

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相应的发光二极管变亮。

为了确保单片机对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。消除按键抖动通常采用硬件、软件两种方法。由于硬件消抖电路设计复杂，本设计中没有采用，在此不再详细叙述；软件消抖适合按键较多的情况，方便简单。其原理是在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的子程序后在确认该键电平是否仍 图3-4 按键接线图 保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从而消除了抖动的影响。因此本设计中采用了这种方式来消除抖动，其原理将在下一章软件设计中体现出来，其硬件原理图如图2-7所示：

其中SB0是启动按钮，SB1为关闭按钮，SB2为低速点动控制按钮，SB3为低速持续运转控制按钮，SB4为中速持续运转控制按钮，SB5为高速运转控制按钮，SB6为超高速运转控制按钮.SB7为正反转切换按钮，SB8

为控制步进电机通电方式在三相单拍、三相单双拍和三相三拍之间切换。

步进电动机驱动电路。步进电机的功率放大电路的种类很多。按照电流流过的方向是单向还是双向的，可以把功率放大电路分为双极性驱动电路和单极性驱动电路两类。单极性驱动电路适用于反应式步进电机，而双极性驱动电路适用于永磁式步进电动机和混合式步进电动机。

驱动电路的功率器件可以选用功率晶体管、功率场效应管（MOSFET）或IGBT，还可以选用集成功率驱动模块。 ⑴单电压驱动

但电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源对绕组供电。单电压驱动如图2-8所示

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图3-5 单电压驱动电路

功率晶体管T用作开头，L是电机一相绕组的电感，电源电压一般选择在10V-100V左右。限流电阻R1决定了时间常数，R1在工作中要消耗一定的能量，所以这个电路损耗大、放率低，一般只用于小功率步进电动机的驱动。 ⑵双电压驱动

用提高电压的方法可以使绕组中的电流上升波形变陡，这样就产生了双电压驱动。双电压驱动有两种方式：双电压法和高低压法 ①双电压法

双电压法的基本思路是：在低频段使用较低的电压驱动，在高频段使用较高的电压驱动。其电路原理如图2-9所示。

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图3-6 双电压驱动电路

当电动机工作在低频时，给T1低电平，使T1关断。这时，电动机 的绕组由低电压VL供电，控制脉冲通过T2使绕组得到低压脉冲电源。当电动机工作在高频时，给T1高电平，使T1打开。这时二极管D2反响截止，切断低电压电源VL，电动机绕组由高电压VH供电，使控制脉冲通过T2使绕组得到高压脉冲电源。

这种驱动方法保证了低频段仍然具有单电压驱动的特点，在高频段具有良好的高频性能，但仍没摆脱单压驱动的弱点，在限流电阻R上仍然会产生损耗和发热。 ②高低压法

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高低压法的基本思路是：不论电动机工作的频率如何，在绕组通电的开始用高压供电，是绕组中电流迅速上升，而后用低压来维持绕组中的电流。

高低压驱动电路的原理如图2-10所示，尽管看起来与双电压法电路非常相似，但它们的原理有很大差别。

图3-7 高低压驱动电路

高压开关管T1的输入脉冲uH与低压开关管T2的输入脉冲uL同时起步，但脉宽要窄得多。两个脉冲同时使开关管T1、T2导通，使高电压VH为电动机绕组供电。这使得绕组中电流i快速上升，电流波形的前沿很陡，如图9-7所示电流波形。当脉冲UH降为低电平时，高压开关管T1截止，高电压被切断，使电压VL通过二极管D2为绕组继续供电，由于绕组电阻小，回路中又没有串联电阻，所以低电压只需数伏就可以为绕组提供提供较大电流。

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高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法。由于这种驱动在低频时电流有较大的上冲，电动机低频噪声较大，低频共振现象存在，使用时要注意。

本设计中采用的驱动电路是斩波恒流驱动电路，斩波恒流驱动电路时性能较好的、目前使用较多的一种驱动方式。其基本思想是：无论电机是在锁定状态还是在低频段或高频段运行，均使导通相的绕组的电流保持额定值。

图2-11是斩波恒流驱动电路的原理图。相绕组的通断由开关管VT1和VT2共同控制，VT2的发射极接一个小电阻R，电动机绕组的电流经这个电阻到地，小电阻的压降与电动机绕组的电流成正比，所以这个电阻式电流采样电阻。

当Ui为高电平时，VT1和VT2两个开关管均导通，电源向绕组供电。由于绕组电感的作用，R上的电压逐渐升高，当超过给定电压Ua的值时，比较器的输出低电平，使与门输出低电平，VT1截止，电源被切断，绕组电流经VT2、R、VD2续流，采样电阻R的端电压随之下降。当采样电阻R上的电压小于给定电压Ua时，比较器输出高电平，与门也输出高电平，VT1重新导通，电源又开始向绕组供电。如此反复，绕组的电流叫稳定在由给定电压所决定的数值上。

当控制脉冲Ui变为低电平时，VT1和VT2两个开关管均截止，绕组中的电流经二极管VD1、电源和二极管VD2放电，电流迅速下降。 控制脉冲Ui、VT1的基极电位Ub1及绕组电流Id饿波形如图2-11所示。

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图3-8 斩波恒流驱动电路的原理图

图3-9 斩波恒流控制的电流波形

在VT2导通期间内，电源以脉冲式供电，所以这种驱动电路具有较高的效率。由于在斩波驱动下绕组电流恒定，电机的输出转矩均匀。这种驱动电路的另一个优点是能够有效地抑制共振，因为电机共振的基本原因是能量过剩，而斩波恒流驱动的输入能量是随着绕组电流的变化自动调节的，可以有效的防止能量积聚。但是，由于电流波形为锯齿形，这种驱动方式会产生较大的电磁噪声。 - XXV -

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3.4 LED数码显示器电路 发光二极管LED是一种通电后能发光的半导体器件，其导电性质与普通二极管类似。LED数码显示器就是由发光二极管组合而成的1种新型显示器件。在单片机系统中应用非常普遍。

LED数码显示器是1种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点。LED数码显示器有两种连接方法：

（1）共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。

（2）共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。

在本设计中所采用的是共阳极LED数码显示器，其内部结构如图2-

12所示：

图3-10 LED数码管结构图

可编程控制器的晶体管输出电路有漏极输出和源极输出两种，图2-- XXVI -

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13(a)为负逻辑，图2-13（b）为正逻辑，7段显示器的数据输入和选通信号也有正负逻辑之分。若数据的输入以高电平为“1”，则为正逻辑；反之为负逻辑。选通信号在高电平时锁存数据，则为正逻辑；反之为负逻辑。

（a） （b） 图3-11 集电极输出与反射极输出

在本设计中，数码显示电路通过采用共阳极数码管来动态显示步进电机的实际转动速度，利用三极管为数码管的com端提供高电平。PLC的Y2-Y5端口提供数码管的段选信号，PLC的Y6-Y9端口控制数码管的位选信号。PLC的晶体管输出电路采用源极输出，其原理图如图2-14：

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图3-12 数码显示电路

3.5 步进电机控制系统电路图

通过上述对步进电机控制系统设计与分析，步进电机控制系统总体设计电路

如图2-14所示：

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图3-13 步进电机控制系统总体设计电路图

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第4章 软件的设计

4.1 可编程序控制器的工作原理

可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。

除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段（见左上图）。可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。 - XXX -

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在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。

在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。可编程序控制器处于（RUN）状态时，还要完成另外3个阶段的操作（见右图），图中仅画出了与用户程序执行过程有关的3个阶段。

4.2 存储空间的计算

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。

存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

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第5章 PLC控制程序设计

5.1 PLC提供的编程语言

标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点；

A.它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。

B.梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。

C.梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。

D.PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当条件使用。

⑵语句表语言，类似于汇编语言。

⑶逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能，左边画输入、右边画输出。

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图4.2 PLC编程步骤

步进电机控制系统的软件需要同时完成读取键盘、处理键盘、控制步进电机转动、控制数码管动态显示等任务。

PLC是通过CPU循环扫描的工作方式来完成其控制任务的。PLC运行时，CPU执行用户程序从应用程序的第一条指令开始取指令并执行，直到最后一条指令执行结束，因此在一定的硬件与软件基础上的用户程序决定了控制系统的运行功能。

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5.2 PLC实用驱动电源控制环节 ⑴ 驱动电源的特殊性

步进电动机的运行特性,由输入脉冲的数量、频率和电机绕组的接通次序决定,故需提供不同形式的脉冲电源。针对两相单、双四拍步进电动机驱动电源, 由PLC输出脉冲控制信号, 控制A、B两相绕组按A→AB→B→BC→C→CA→A…(正转) 或者按A→AC→C→CB→B→BA→A(反转)通电方式(每切换一次电流称一拍)循环通电。若任意改变两相绕组的通电顺序，则步进电机转向改变。因此，设计驱动电源控制装置时，要根据步进电机通电方式，绕组接通次序、脉冲频率和运行要求来进行设计。

⑵ 用功能指令构建控制程序的有关问题

FX2系列PLC较丰富的编程指令,除基本语句指令外，还有近100条的功能指令。功能指令的出现大大拓宽了PLC的应用范围，结合基本指令编写程序可解决各种复杂的控制。但是，由于每条功能指令属一段子程序又具有特定的功能，应用时有一定的局限性、复杂性和技巧性。因此，用功能指令编程前要认真思考和筛选，选取合适的功能指令编辑。笔者经过FX2系列PLC功能指令的分析研究：围绕“绝对值凸轮顺控ABSD”指令（下称“ABSD” 指令）构建控制程序。“AB SD”指令的工作原理可用下图4-4说明：

图 4-4 ABSD 功能指令运用

“ABSD”指令需4个操作数，源操作数[S1]存储[n]个目标元件[D]的通断点，[S2]存储变化的数据。当XO接通时，将[S1]数据表内的数据相比较，决定[n]个目标元件的输出波形。因此，在满足执行条件的前- XXXIV -

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提下“AB SD”指令有输出一组波形的功能。 ⑶ PLC实用驱动电源控制梯形图和I/O分配表

PLC实用梯形图如图2所示。该梯形图用功能指令“MOV、ABSD、ZRST、CJ”及基本指令编写而成。根据梯形图各部分的功能和作用，控制程序可归纳由以下几个环节构成：

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图4-5 部分程序图

a)脉冲波形上下沿数据表：如主程序图中6-45行所示，数据表由D300-D305构成。数据中波形上下沿数据根据某一通电方式下绕组内的电流波形确定，并用“MOV”功能指令将数据送入D300～305数据寄存器。波形上升沿数据写入偶数元件，下降沿数据写入奇数元件。

b)驱动电源控制脉冲；如主程序图中所示用“ABSD”功能指令产生驱动电源脉冲控制信号。在执行条件满足时，“ABSD”功能指令将CO中的数据与数据表(D300～D305)内相比较，结果决定MO～M2的通断状态并输出。例如：(C0)=(D300)，则M0导通，A相绕组通电，(CO)=(D301)，MO断开，A相绕组断电。图3表示MO～M2通断状态与电机各绕组接通顺序之间的关系。

c)运转控制环节：由讦数脉冲的产生及控制、环形分配器等部分组成。 - XXXVI -

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1) 计数脉冲的产生与控制；主要由C1、M20、T200、T201、T246、M21等元件依一定关系“连接”而成。T200、T201、T246、M21向C1提供计数脉冲，定时器T的设定值K△△及继电器M21通断速度决定C1的计数频率。T的元件数取决步进电动机转速分级数，控制C1计数频率用X3、X4、X5、X6切换。

2) 环形分配器；环形分配是将MO～M2产生的电源控制脉冲信号经由YO～Y2，控制步进电动机按规定的通电方式运转。 由程序分析可知：D300～D305决定步进电机的通电方式，要改变通电方式，只需改变其中的数据即可。程序中，X1、X3、X4直接意义是控制步进电机转速用，若在三者的梯形支路中加入开环控制元件或闭环控制元件。使能实现步进的开环或闭环控制。步进电机运转向控制用X7，控制程序由跳转指令CJ实现。

d)LED显示环节：本设计中用PLC的带锁存的7段显示指令SEGL，其格式为:SEGL [S*] [D*] n

指令用12个扫描周期显示一组或两组4位数据，由[D*]的第二个四位为选通信号，顺序显示由[S*]经[D*]的第一个四位或[D*]得第三个四位输出地值。本设计中只用四位显示如上图4-5所示。

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结论

毕业设计是专科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的设计出电梯PLC控制，我摆脱了单纯的理论知识学习状态。通过实际设计相结合，锻炼了我综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平。通过PLC控制电梯，实现电梯的运行速度、反映时间和停层的准确度达到一定的标准，而对电梯的速度、运行状态、安全、可靠、消防等进行合理的设计。综合考虑电梯PLC控制系统，能够达到“稳、准、快”的要求，这就要求我们的设计必须严密、可靠。通过这次毕业设计，提高了我的意志力和品质力，提升了自己的忍耐力，懂得了怎样缓解压力，学会了独立思考、逻辑思维、提出问题、分析问题、解决问题的方法。这是我们希望看到的，也正是我们进行毕业设计的目的所在。

虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐，但我的收获却更加丰富。通过与罗老师的沟通和交流，我了解到此系统的适用条件，此设备的选用标准，以及各种器件适用性。我的能力也得到了提高，提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。最终按质按量完成本次设计。我的收获是很难用语言来描述的。非常感谢各位老师的指导与帮助。

顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。无论PLC控制电梯系统怎么复杂，我都采用了一些新的技术和设备。它们有着很多的优越性，但也存在一定的不足，这些不足在一定程度上限制了我们的创造力。比如我的设计在怎么能够更大限度的满足乘客乘坐时的舒适感方面处理得不是很理想，- XXXVIII -

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这让我感到很遗憾。发现问题，面对问题，才有可能解决问题。不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为社会做出应有的贡献，为祖国的四化服务。

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致谢

本文主要阐述了步进电动机PLC控制系统的过程，我对PLC控制产生了浓厚的兴趣。

本论文虽然凝聚着自己的汗水，但却不是个人智慧的产品，没有导师的指引和帮助，没有父母和朋友的帮助和支持，我在大学的学术成长肯定会大打折扣。当我打完毕业论文的最后一个字符，涌上心头的不是长途跋涉后抵达终点的欣喜，而是源自心底的诚挚谢意。我首先要感谢我的导师，对我的构思以及论文的内容不厌其烦的进行多次指导和悉心指点，罗老师多次询问进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。罗老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对罗老师的感激之情是无法用言语表达的，使我在完成论文的同时也深受启发和教育。

再次由衷感谢答辩组的各位老师对学生的指导和教诲，我也在努力的积蓄着力量，尽自己的微薄之力回报母校的培育之情，争取使自己的人生对社会产生些许积极的价值。

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参考文献

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「13」邓兴中主编.机电传动控制.武汉：华中科技大学出版社，2001 「14」廖晓钟编著.电力电子技术与电气传动.北京：北京理工大学出版社，2000

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附录

#include “stdio.h” main() { for (;;) printf(“成功到永远！”); }

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