自动化3227102卫萌

本科生毕业论文（设计）

题 目: 姓 名: 学 院: 专 业: 班 级: 学 号: 指导教师:

基于S7-200的步进电机调速系统设计 卫 萌 工 学 院 自 动 化 71 班 3227102 赵贤林 职称: 副教授

2011年5月20日 南京农业大学教务处制

目 录

摘要 ..................................................................... 3 关键词 ................................................................... 3 Abstract. ................................................................ 3 Keywords ................................................................. 3 1 步进电机概述及其控制原理 .............................................. 5 1.1 步进电机概述 ......................................................... 5 1.1.1 步进电机的出现及其定义 ............................................ 5 1.1.2 步进电机的特点 .................................................... 5 1.1.3 步进电机的分类 .................................................... 5 1.1.4 步进电机的动态指标 ................................................ 6 1.1.5 步进电机的选用 .................................................... 6 1.2 步进电机驱动控制系统概述 ............................................ 7 1.2.1 步进电机驱动控制系统组成 .......................................... 7 1.2.2 步进电机开环控制简述 .............................................. 8 2 PLC的基础知识 ......................................................... 9 2.1 PLC的由来和发展 ..................................................... 9 2.1.1 PLC的由来和定义 ................................................... 9 2.1.2 PLC的发展 ........................................................ 10 2.2 PLC的应用领域和特点 ................................................ 10 2.2.1 PLC的应用领域] ................................................... 10 2.2.2 PLC的特点 ........................................................ 11 2.3 PLC的基础结构 ...................................................... 12 2.4 PLC的工作原理 ...................................................... 14 2.4.1 PLC的三个工作阶段 ................................................ 14 2.4.2 PLC对输入/输出的处理规则 ......................................... 15 3 基于S7-200的步进电机调速系统设计 .................................... 15 3.1 系统硬件器材的选取 ................................................. 15 3.1.1 步进电机的选择和步进电机驱动器的选择 ............................. 15 3.1.2 PLC的选择 ........................................................ 16 3.1.3 高速输出指令简介 ................................................. 17 3.2 硬件电路的连接 ..................................................... 18 3.2.1 系统的任务 ....................................................... 18 3.2.2 系统流程图 ....................................................... 18 4 设计实现及结果展示 ................................................... 19 4.1 硬件电路连接图的实现 ............................................... 19 4.2 软件编程的实现 ..................................................... 20 5 总结 ................................................................. 23 致谢 .................................................................... 24 参考文献： .............................................................. 24

2

基于S7-200的步进电机调速系统设计

自动化专业 学生 卫萌 指导老师 赵贤林

摘要：本课题的目标是设计出基于S7-200的步进电机调速系统。文章首先便给出此课题研究的必要性及重大意义。文章同时回顾了近几年步进电机调速系统的研究现状，说明了现有的步进电机控制系统的缺点和不足。系统是由可编程序逻辑控制器（即PLC）、步进电机和步进电机驱动器组成，其次介绍了步进电机和PLC的相关知识，包括：定义、发展历程、应用领域、控制原理和特点等。文章详细介绍了PLC中高速脉冲输出指令，画出了系统硬件连接的原理图。结合上述原理，文章给出了基于S7-200的步进电机调速系统的实物连接图和程序，程序分为主程序和中断程序。在文章最后提出了本课题存在的问题和改进方法，以及在改进后的应用前景。实践证明本课题的可操作性，以及实用性。

关键词：可编程序逻辑控制器；步进电机；步进电机驱动器；高速脉冲

The Design of Step Motor Speed Governing System Based On S7-200

Student majoring in Automation Wei Meng

Tutor Zhao Xianlin

Abstract: This topic's goal is to design the system of step motor speed governing based on S7-200. Firstly, the research necessity and the great significance of this topic were given. Simultaneously, the research status quo of the system of step motor speed governing was reviewed in this paper, and the existing step motor’s control system’s shortcoming and disadvantage was explained. The system is make up of PLC, step motor and step motor’s driver, so then, the related knowledge of the step motor and PLC, such as definition, phylogeny, application fields, the control principle and advantage, were introduced. Next, the order of rapid pulse output was introduced, and the system hardware connects schematic diagram was given in the paper. Unified the above principle, the connection diagram and the program of the step motor’s velocity modulation system based on S7-200 were given, and the program is make up of two parts: the master routine and the interrupt routine. At the end of this paper, the subsistent problem, the way to improve and application prospect were proposed. The practice proved the maneuverability and practicability of the topic. Keywords: PLC; Step Motor; Step Motor’s Driver; Rapid Pulse

引言 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时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”,其旋转以固定的角度运行。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量以达到准确定位的目的同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度而达到调速的目的。步进电机作为一种控制用的特种电机,因其没有积累误差精度为而广泛应用于各种开环控制[1]。在负载能力范围内，这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动化，因而可适用于开环系统中作执行元件，使控制系统大为简化[2]。可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计[3]。

步进电机是一种常用的电气执行元件，能将数字式电脉冲信号转换成机械角位移或线位移，实质上是一种多相或单相同步电机，在数控机床、包装机械等自动控制及检测仪表等方面得到了广泛的应用。单相步进电机由单路脉冲驱动，输出功率小；多相步进电机有多相方波脉冲驱动。步进电机转子的位移与脉冲数成正比，其转速与脉冲频率成正比，同时，在工作频段内，可以稳定的从一种运动状态转换到另一种运动状态，因此步进电机能够完成高精度的位置控制，且无累计误差等，所以可以广泛应用于数字定位

3

控制中[4]。随着步进电机的不断改良，今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。

步进电机作为控制执行元件，是机电一体化的关键产品之一。由于其具有运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长等优点，所以被广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。步进电机调速系统是基于S7-200的，由PLC、步进电机驱动器以及步进电机组成。它包括软件编程和硬件电路两部分：通过软件使PLC输出高速脉冲给驱动器从而控制步进电机运转。用PLC 控制步进电机，使步进电机动作的抗干扰能力强，工作的可靠性高，同时，由于实现了模块化结构，使系统构成十分灵活，便于在线修改，产品的适应性强[5]。

鉴于步进电机的广泛应用以及工业现场的实际需要，人们为了更好的利用步进电机，一直以来都在做步进电机控制方面的研究：文[6]提出了在实际的步进电机应用中,尤其在要求快速响应的控制系统中,其关键问题是如何保证步进电机在频繁启停、频率发生突变的高速运转过程中不发生堵转和失步。系统的极限启动频率较低,而要求的运行速度又较高,如果系统以要求的速度直接启动,会因速度已超过极限启动频率而不能正常启动,发生堵转或根本不能运行的情况。系统运行到终点时突然停止,则会因系统的惯性,出现过冲现象,使控制发生偏离。基于此问题,文章提出在控制的过程中运行速度需要有一个升速 — 恒速 — 降速 — 停止的过程。文[7]则介绍了基于PLC 控制的步进电机送料系统的硬件结构和软件实现方法并对系统的步进电机驱动部分进行了详细分析和研究。文章介绍了当步进电机驱动模块采用软脉冲生成器硬脉冲分配器结构，软脉冲由 PLC 的高速脉冲指令产生，硬件脉冲分配器通过小功率步进电机专用驱动芯片 UCN5804B 来实现通电换相控制的过程。文[8]利用西门子PLC配置位控模块输出的脉冲信号,驱动步进电机控制器完成了对步进电机转动角位移的控制,达到了位置控制的目的同时, 也满足了工业现场的需要。控制装置选用西门子 s7- 200系列 PLCCPU224XPCN和位控模块 EM253。CPU模块可以存储程序并带有数字量输入输出信号,位控模块可输出脉冲信号, 控制步进电机。文[2]提出了一种基于 PLC 的四相步进电机控制方法，介绍了系统的硬件组成以及相应的 I/O 分配。软件设计包括脉冲产生和控制、脉冲分配及步数设定三大模块，用软件完成脉冲分配功能，可以减少硬件资源，控制参数改变方便灵活，提高了系统控制的可靠性和灵活性。在文[9]中，一种状态反馈跟踪算法可以为那些电子轨迹和预设的不一样而设计，从而保障证电机转子位置循轨误差的渐进汇合到零。而文[10]则指出虽然步进电动机的控制是非常容易，但是他们运作并不平稳。所以，减少在步进电动机的速度和转距上的波纹发生是必要的。在这项研究中，PID控制器被用于减少波纹。

在以上的研究中，文[7] 文[8] 文[2]都是研究基于PLC的步进电机调速系统的设计，给本课题基于S7-200的步进电机调速系统的设计提供依据和方法。同时，由上述控制方法可以看出，它们使用了小功率步进电机专用驱动芯片 UCN5804B和PLC位控模块EM253，还需要学习相关模块的相关知识，硬件电路连接和软件编程，给控制系统的设计和维护带来诸多不便。同时，EM253价格相对较高，对此系统的实用性提出挑战。本课题则采用PLC输出脉冲和实用步进电机配套的驱动，软件输出脉冲，减少硬件电路，步进电机驱动说明书仅两页，而且比较简单，也不需要软件，对于研发者和使用者都比较简单。

采用 PLC 实现步进电机位置控制的方法，较传统的步进电机控制方式而言，可以大大减少系统设计的工作量，而且不存在各部分接口信号的匹配问题,从而提高系统的可靠性。在 PLC 控制的步进电机定位系统中, 使用 PLC 主控单元通过步进电机驱动器

4

直接控制步进电机, 用软件代替硬件控制, 不仅具有控制简单 运行稳定 开发周期短等优点, 而且提高了控制系统的柔性和可靠性, 有较高的推广和应用价值。

1 步进电机概述及其控制原理

1.1 步进电机概述

1.1.1 步进电机的出现及其定义 步进电机又称为脉冲电机，基于最基本的电磁铁原理，它是一种可以自由回转的电磁铁，其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。其原始模型是起源于1830年至1860年间。1870年前后开始以控制为目的的尝试，应用于氢弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电机。二十世纪初，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。由于西方资本主义列强争夺殖民地，步进电机在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中得到了广泛的使用。二十世纪五十年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。到了八十年代后，

[11]

由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电机的控制方式更加灵活多样。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行器件。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，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制[12]。

1.1.2 步进电机的特点 步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称step motor或stepping motor、pulsemotor、steeper motor等。目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。就传统的步进电机来说，步进电机可以简单地定义为：根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与脉冲频率同步的同步电动机。

步进电机具有其自身的特色，归纳起来有：

（1）可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价； （2）直接接收数字信号，不必进行数模转换，使用方便；

（3）位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以要求更高精度时组成闭环控制系统；

（4）无刷，电动机本体部件少，可靠性高；

（5）易于起动、停止、正反转及变速，响应性也好； （6）停止时，可有自锁功能；

（7）步距角选择范围大，可在几十角分至180度大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在越低速下以高转矩运行，因而可以不经减速器直接驱动负载工作；

（8）速度可以相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进电机可使它们完全同步运行；

（9）不能直接使用普通的交流电源驱动。

1.1.3 步进电机的分类 步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式（VR）、永磁式（PM）和混合式（HB）三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为式和混合式步进电机。

（1）反应式步进电机(Variable Reluctance，简称VR)反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但

5

序控制，所以这也是最适合PLC使用的领域。在这里PLC用来取代传统的继电器顺序控制，应用于单击控制和多级群控等。

2制造业自动化

制造业是典型的工业类型之一，在该领域主要对物体进行品质处理、形状加工、组装，以位置、形状、力、速度等机械量和逻辑控制为主。其电气自动控制系统中的开关量占大多数，有些场合，数十台、上百台单机控制设备组合在一起形成大规模的生产流水线，如汽车制造和装配生产线，等等。由于PLC性能的提高和通信功能的增强，使得它在制造业领域中的大中型控制系统中也占绝对主导地位。

3运动控制

为适应高精度的位置控制，现在的PLC制造商为用户提供了功能完善的运动控制功能。这一方面体现在功能强大的主机可以完成多路高速计数器的脉冲采集和大量的数据处理功能；另一方面还提供了专门的单轴或多轴的控制步进电机和伺服电机的位置控制模块，这些智能化的模块可以实现任何对位置控制的任务要求。现代工业自动化领域基于PLC的运动控制系统和其他的控制手段相比，功能更强、装置体积更小、价格更低、速度更快、操作更方便。

4流程工业自动化

流程工业是工业类型中的重要分支，如电力、石油、化工、造纸等，其特点是对物流（气体、液体为主）进行连续加工。过程控制系统中以压力、流量、温度、物位等参数进行自动调节为主，大部分场合还有防爆要求。从20世纪90年代后，PLC具有了控制大量的过程参数的能力，对多路参数进行PID调节也变得非常容易和方便。和传统的分布式控制系统DCS相比。其价格方面也具有较大优势。再加上在人机界面和联网通信性能方面的完善和提高，PLC控制系统在过程控制领域也占据了相当大的市场份额。 2.2.2 PLC的特点 为了满足现代化工业生产日趋复杂以及多样化的特点，如实现逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，它们对控制的要求各不相同。PLC一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎，其主要特点如下[5]： 1抗干扰能力强，可靠性高

在工业现场存在着电磁干扰、电源波动、机械振动、温度和湿度的变化等因素，这些因素影响着微机的正常工作。而PLC模块均采用大规模与超大规模集成电路，所有的I/O接口电路均采用光电隔离；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑；在硬件上采用隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施。以上这些使PLC具有较高的抗干扰能力。

另外，PLC采用微电子技术，这样可以由无触点的电子存储器件代替大量的机械开关动作；同时，大部分继电器和繁杂的线路被软件程序所取代，这样可以大大延长使用寿命，提高其可靠性。

2控制系统结构简单，通用性强

在PLC控制系统中，只需在PLC的输入/输出端子上接入相应的信号新即可，不需要连接诸如继电器之类的低压电器和大量而又繁杂的硬件接线线路，大大简化了控制系统的结构。PLC的输入/输出可直接与交流220V、直流24V等强电相连，并且具有较强的带负载能力。

3编程方便，易于使用

PLC是面向用户的设备，它的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式。这种编程语言形象直观、易于掌握，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识。很容易被一般工程技术人员在短时间内理解和掌握。 4功能完善

PLC的输入/输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和

11

模拟量的输入/输出。在PLC内部具备许多控制功能，如：

? 逻辑控制 ? 定时控制 ? 计数控制

? 步进（顺序）控制 ? PID控制

? 数据控制：PLC具有数据处理能力 ? 通信和联网

? 其他：PLC还有许多特殊功能模块，可满足各种特殊控制的需求，如定位控制模块、CRT模块。

此外，它还可以和其他微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统，还能实现矩阵运算、成组数据传送、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断功能。所以说PLC具有极强的适应性，能够很好的满足不同类型控制的需要。 5设计、施工、调试的周期短 用继电器、控制器控制完成一项工程时，首先要按工艺要求完成电气原理图的绘制，然后画出继电器屏（柜）的布置和接线图，最后安装调试，在调试阶段若要进行修改极不方便。而采用PLC控制，由于其软、硬件齐全，是模块化积木式结构，且已商品化，故只需按性能、容量（输入/输出点数、内存大小）等选用组件进行组装，所以缩短了施工周期，大大减少了工作量。因为PLC采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改及调试都很方便，所以通过程序完成控制任务大大缩短设计和投运周期。 6体积小，维护操作方便

PLC体积小，质量轻，便于安装，不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。 2.3 PLC的基础结构

在种类繁多的PLC中，其组成结构和工作原理都基本相同。用PLC实施控制，其实质是按一定的算法进行输入/输出转换，并将这个转换给予物理实现并应用于工业现场。PLC转为工业现场而设计，采用了典型的计算机结构，它主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成，PLC的结构框图如图3所示：

图3：PLC的结构框图

1 中央处理单元（CPU）

中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，它们都集成在一个芯

12

片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按照PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当PLC处于运行方式时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。

CPU的主要任务如下：

（1）按PLC系统赋予的功能接受并存储从编程器输入的用户程序和数据。

（2）用扫描方式接收现场输入装置的状态与数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器。

（3）诊断电源及PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。

（4）在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令规定的人物产生相应的控制信号，去启、闭有关控制电路，分时地去执行数据的存取、传递、组合、比较、变换等动作。完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务。根据有关结果更换标志位的状态和输出映像寄存器的内容，实现输出、制表、打印或数据通信等控制。

2 存储器

PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两个部分。

（1）系统存储器。系统存储器是指用来存放PLC的系统程序的存储器，它由PLC生产厂家编写并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作，其主要内容包括以下3个部分。

1）系统管理程序：系统管理程序用于控制PLC的运行过程。

2）用户指令解释程序：用户指令解释程序的主要作用是将PLC的编程语言转化为机械语言指令，然后由CPU执行这些指令。

3）标准程序模块与系统调试：它有许多不同功能的子程序及其调用管理程序组成，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序。这部分程序的主要功能是完成PLC的具体工作，这部分程序越多，PLC的性能就越高。

（2）用户存储器。用户存储器由用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分组成。其主要作用是用户用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。用户可根据所选用的存储器单元类型的不同，选用RAM\\ROMEPROM或EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。其中，用户存储器大小关系到用户程序容量的大小，它是反映PLC性能的重要指标之一。

3 输入/输出接口单元

PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入输出接口单元从广义上可分为两部分：一部分是与被控设备相连的接口电路；另一部分是输入和输出的映像寄存器。

（1）输入接口的作用.将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。

（2）输出接口的作用。将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通、断电；计算机内部与输出电路采用强电隔离，有效地保护内部电路。输出的三种形式：继电器，低速大功率；可控硅，高速大功率；晶体管，高速小功率。

4 扩展接口和通信接口

为了满足不同控制的需要，实现“人-机”或“机-机”之间的对话，PLC应具有扩展接口和通信接口的能力。扩展接口和通信接口的作用如下。

（1）扩展接口：其作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。

13

（2）通信接口：其作用是通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连，从而实现“人-机”或“机-机”之间的对话。

5 电源部分

PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、±12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。

电源部位的位置形式可有多种，对于整体式结构的PLC，通常将电源封装到机壳内部，对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。

6 编程设备

编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。 编程设备可以是专门的手持式编程器，也可以是安装了专门的编程通信软件的个人计算机。用户可以通过键盘输入和调试程序；另外，在运行时还可以对整个控制过程进行监控。

7 其他部件

有些PLC还配有EPROM写入器、存储器卡等其他外部设备，用于增强PLC的存储容量和扩展其功能。 2.4 PLC的工作原理

PLC作为一种特殊形式的计算机控制系统，是利用计算机技术对传统的硬件逻辑控制系统“继电器控制”进行“硬件软化”的结果。但在运行方式上，PLC的软件逻辑也与继电器控制系统的硬件逻辑存在根本性的区别。

继电气控制系统的硬件逻辑采用的是并行运行的方式，即如果一个几点起的线圈通电或者放电，该继电器的所有触电（不论是常开还是常闭、也不论其处于继电器线路的哪个位置上）都会立即同时动作；而PLC的软件逻辑是通过CPU逐行扫描用户程序来实现的，即如果一个逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触电并不会立即动作，必须等扫描到该触电时才会动作。

2.4.1 PLC的三个工作阶段 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段三个阶段。完成上述三个阶段即称为一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（1）输入采样阶段。

PLC在输入采样阶段先扫描所有输入端子并将各输入端子状态存入各对应的输入原件映像寄存器。此时，输入元件映像寄存器被刷新，接着进入用户程序执行阶段。在用户程序执行阶段或输出阶段。输入元件映像寄存器与外界隔离，无论端子信号如何变化，输入元件映像寄存器内容始终保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才将输入端子的新内容重新写入。

（2）用户程序执行阶段

根据PLC梯形图程序扫描规则，PLC以先左后右，先上后下的步序逐句扫描。当指令中涉及输入输出状态时，PLC从输入映像寄存器中“读入”上一阶段采入的对应端子状态，从输出映像寄存器“读入”对应输出映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件（输出软继电器）的状态会随程序的执行过程而变化。

（3）输出刷新阶段

在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有的输出继电器的状态（通/断）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出驱动外部负载。对于小型PLC，I/O点数较少，用户程序较短，用集中采样集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。大、中型PLC因I/O点数较多，控制功能强，用户程序长，为提高响应速度可以采用定周期

14

输入采样，输出刷新；也可以采用直接输入采样，直接输出刷新，中断输入/输出和智能化输入/输出接口等方式。

2.4.2 PLC对输入/输出的处理规则 根据上述工作特点，归纳出PLC对输入/输出的处理原则如下。

（1）输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一个刷新期间的通/断状态。

（2）程序如何执行取决于用户所编程序和输入/输出映像寄存器的内容及各元件映像寄存器的内容。

（3）输出映像寄存器的数据，取决于输出指令的执行结果。

（4）输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器的数据决定。 （5）输出端子的通/断状态，由输出锁存器决定。

3 基于S7-200的步进电机调速系统设计

3.1 系统硬件器材的选取

3.1.1 步进电机的选择和步进电机驱动器的选择 本课题使用的步进电机是时代超群公司的57BYG250-76，它的外形图及电气原理图如图4、图5所示。它的步距角为1.8o，

360o?200，从而得到步进电机速度控制中由此得出旋转一周所需要的脉冲数为：np?o1.8的相关脉冲频率和脉冲个数的设置。

图4：57BYG250-76的外形图

图5：57BYG250-76电气原理图

在本课题中，配合上述步进电机选用ZD-6560-V4作为步进电机驱动器，它的接口电路图如图6所示：

15

图6：步进电机驱动器的接口电路图

它的主要功能是：

? 整步、二细分、八细分、十六细分可调 ? 输出电流 4档可调 ? 过热自动保护 ? 自动半流锁定 ? 衰减4档可调

? 支持脱机、使能、锁定等功能 它的特点是：

? 高集成度高可靠性

? 接口采用超高速光耦隔离 ? 抗高频干扰能力强

? 最高输入电压：DC 40V(峰值) ? 电源反接保护

它与控制器的连接电路如图7所示：

图7：驱动器与控制器的连接电路

它的控制方式

在共阳极接法中，它的控制方式为：对于脉冲-，有脉冲时工作，高电平有效，无脉冲时锁定电机并自动半流；对于方向-，高电平输入或悬空时正转，低电平输入时反转；对于脱机-，高电平输入或者悬空时正常工作，低电平时脱机。

在共阴极接法中，它的控制方式为：对于脉冲+，有脉冲时工作，低电平有效，无脉冲时锁定电机并自动半流；对于方向+，低电平输入或悬空时正转，高电平输入时反转；对于脱机+，低电平输入或者悬空时正常工作，高电平时脱机。

步进电机驱动器的各种设置，见表1所示：

表1：步进电机的设置表 细分 1 2 16 8 细分设置 SW4 OFF OFF ON ON SW3 OFF ON OFF ON 电流 3 2.2 1.5 0.6 电流设置 SW6 OFF OFF ON ON SW5 OFF ON OFF ON 模式 低 慢 中 快 衰减设置 SW2 OFF OFF ON ON SW1 OFF ON OFF ON 3.1.2 PLC的选择 根据本课题需要，并结合课堂所学，选择西门子公司生产的S7-200PLC，图8是它的外形结构图。

16

图8：S7-200的外形结构图

S7-200系列PLC是一种小型PLC系统，其功能非常强大，许多功能可以达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC一样，因此在西门子公司刚推出后，马上就受到了广泛关注。S7-200系列中的CPU22*系列，具有了多种功能模块和人机界面可供选择，使得系统的集成非常方便，并且其在网络中的强大功能，很容易地可以组成PLC网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测和控制等。S7-200系列PLC的强大功能使其无论是单机或连接在网络上，都能实现复杂的控制功能，其出色的表现体现在以下几个方面：

? 极高的可靠性 ? 极丰富的指令集 ? 易于掌握本项目 ? 便捷的操作

? 丰富的内置集成功能 ? 实时特性

? 强劲的通信能力 ? 丰富的扩展模块

S7-200 PLC CPU224具有14个输入点和10个输出点，共计24个I/O点。2个模拟量电位器，最多可扩展35AI/AO点。8KB用户程序区和5KB数据存储区。有6路高速计数器（30KHZ），2路高速脉冲输出，1个RS485通信/编程接口，具有与CPU221/222相同的功能。同前两种CPU相比，它的存储容量和扩展能力有了很大的提高，它的存储容量扩大了一倍，可以有7个扩展模块。它具有更强的模拟量处理能力，是S7-200系列产品中使用最多的。

3.1.3 高速输出指令简介 高速输出指令主要是指高速脉冲指令输出指令，该指令的功能是产生高速脉冲用来实现精确控制，若要使用高速脉冲输出指令，PLC应选用晶体管输出型。

高速脉冲输出有两种方式：一种是高速脉冲传输出PTO；另一种是宽度可调脉冲输出PWM。PTO可以输出一串脉冲，用户可以设置其脉冲周期和脉冲个数；PWM可以输出一串占空比可以改变的脉冲，用户可以设置其周期和脉宽。和高速计数器一样，高速脉冲输出端也由系统指定的Q0.0和Q0.1。同样，在高速脉冲输出时，Q0.0和Q0.1只能被高速脉冲数出指令专用，其通用功能被禁止。

每个高速脉冲发生器对应一定数量的特殊寄存器，这些寄存器包括状态字节寄存器和参数数值寄存器。它们用来控制高速脉冲控制方式等功能，各寄存器功能如表2所示：

17

表2：各寄存器功能 Q0.0的寄存器 SMB66 SMB67 SMW68 SMW70 SMD72 SMB166 SMW168 Q0.1的寄存器 SMB76 SMB77 SMW78 SMW80 SMD82 SMB176 SMW178 名称和功能描述 状态字节，在PTO方式下，跟踪脉冲串的输出状态 控制字节，控制PTO/PWM脉冲输出的基本功能 周期值，字型，PTO/PWM的周期值，范围为：2～65535 脉宽值，字型，PWM的脉宽值，范围为：0～65535 脉冲数，双字型，PTO的脉冲数，范围为1～4294967295 段号，多段管线PTO在处理中的段号 多段管线PTO包络表起始字节的地址 （1）状态字节 用于PTO方式，每个高速脉冲输出都对应一个状态字节，程序运行时自动对其进行置位和复位操作，也可以通过程序读取相关位的状态，完成系统的控制要求。

（2）每个高速脉冲输出都对应一个控制字节，用户根据控制要求通过程序对控制字节进行设置，控制字节中，各位的功能如表3所示：

表3：控制字各位的功能 Q0.0控制位 SM67.0 SM67.1 SM67.2 SM67.3 SM67.4 SM67.5 SM67.6 SM67.7 Q0.1控制位 SM77.0 SM77.1 SM77.2 SM77.3 SM77.4 SM77.5 SM77.6 SM77.7 功能描述 PTO/PWM更新周期值：0，不更新；1，允许更新 PWM更新脉冲宽度值：0，不更新；1，允许更新 PTO更新输出脉冲数：0，不更新；1，允许更新 PTO/PWM时间基准选择：0，us单位时基；1，ms单位时基 PWM更新方式：0，异步更新；1，同步更新 PTO单/多段方式：0，单段管线；1，多段管线 PTO/PWM模式选择：0，PTO模式；1，PWM模式 PTO/PWM脉冲数出：0，禁止；1，允许 对于多段管线，在编程时需要建立包络表。包络表格式由包络数和各段构成。整个包络表的段数（1～255）放在包络表首字节中（8位），接下来的每段设定占用8个字节，包括：脉冲初始周期（16位）、周期增量值（16位）和脉冲计数值（32位）。多段管线变成非常简单，而且具有按照周期增量区的数值自动增减周期的功能，这在步进电机的加速和减速控制时非常方便。 3.2 硬件电路的连接

3.2.1 系统的任务 在本课题的设计中，需要通过PLC输出高速脉冲和方向控制信号，控制步进电机驱动器最后完成对步进电机的控制，系统的控制原理图，如图9所示。在图9中可以清楚地看出本系统的构成以及各器件的功能。系统主要通过对步进电机位置、方向和转速控制实现下述功能：在PLC处于运行阶段时，通过控制电机正传按钮，使电机匀速正转，如果按下电机反转按钮，电机反转。在电机停止时，按下另一个按钮电机完成加速-匀速-减速的过程。对于步进电机，只要完成对电机的精确控制，就可以将它应用在很多工业生产领域，具有很大的实用价值。

图9：控制系统的控制原理图

3.2.2 系统流程图 在此我们先给出系统输入输出点地址分配表，如表4所示：

18

表4：输入输出点地址分配表 输入点 电机正转 电机反转 加速-匀速-减速 I0.0 I0.1 I0.3 输出点 高速脉冲输出点 方向控制信号 Q0.0 Q0.1 根据上述提到的本课题的任务以及表2中的地址分配表，我们可以得到基于S7-200的步进电机调速系统的系统流程图，如图10所示：

图10 步进电机调速系统的流程图

4 设计实现及结果展示

4.1 硬件电路连接图的实现

由于时间和材料的限制，我们把实验地点选在实验楼PLC实验室，借助PLC实验平台搭建实验模型。实验台上提供有西门子S7-200PLC、24V和5V电源、电脑以及相应的按钮和逻辑线圈。这时我们先将步进电机和驱动器按说明书上的要求正确连接，在保证连接无误和实验台断电的前提下，将对应的输入输出接口接入，最后接入电源，得到如下图11所示的系统硬件连接图。

19

图11 系统硬件电路连接图

4.2 软件编程的实现

对于像这样的一个系统，涉及到实验台和电机，都和电相关，所以在操作时得注意用电安全。对于软件调试，我则喜欢在将硬件连接完成后，先编一个小程序（只能驱动电机旋转即可）下载至PLC上，运行看硬件电路是否连接正确，测试电机性能是否正常。对于这个电机，在同学的帮助下，我测出它的最大不失步转速的周期为7ms。

在程序设计时，我们设置三个输入，即I0.0、I0.1和I0.3，分别控制电机实现正转、反转和加速-匀速-减速运动，同时设置两个输出点，即Q0.0和Q0.1，分别用来输出高速脉冲和进行电机方向控制。

下面是对上述系统流程图的软件编程，我将软件分为两部分，即主程序部分和中断程序部分。本文将主程序实现的主要功能分为三段：第一段（网络2和网络3）通过I0.0置位方向信号，通过对高速脉冲控制字的写控制Q0.0输出单段脉冲，在程序中给出步进电机的脉冲周期，最后完成使步进电机匀速正转运动的控制；第二段（网络4和网络5）通过I0.1复位方向信号Q0.1，通过对步进电机控制字的写程序控制Q0.0输出单段脉冲，达到控制步进电机匀速反转控制的目的；第三段（网络6）通过I0.3控制执行对高速脉冲控制字写入16#A8，给出多段脉冲的包络表，控制步进电机完成加速-匀速-减速的过程。 主程序

20

21

22

中断程序PTOINT

5 总结

系统基本上达到了所要求的结果，控制步进电机完成了正反转的匀速进行以及加速-高速运行-减速运动过程。实验得出：由于步进电机本身条件的限制，只有在高速脉冲频率低于7ms时电机不会出现失步停转现象，一旦低于7ms便可看出步进电机停步不前。因此在程序设置时只能使电机加速到周期为7ms。由于步进电机速度并不是很高，在步进电机运行时使步进电机反向运行时不需要减速，但在实际情况中是需要减速的。在本文中提到的程序存在一大缺点：加速极不均匀。针对这一问题，我想可以通过多段加速，使系统尽量加速平稳，不能达到匀加速，也不至于影响电机性能。本文由于电机和时间的限制不能给出电机比较理想加速的程序，但是只要有这个基础就能通过改善程序实现对电机的完美控制。

本课题的研究意义在于经过改善就能实现对电机的完美控制，而步进电机的应用瓶颈就是它的调速性能不能令人十分满意。就拿本系统来说，现有系统的调速是很明显的不匀速，只要有足够耐心将加速或减速阶段新分为多段就能实现类匀加速运动。但是分得越多加速时间就越长，这样又造成另一个问题，所以必须权衡时间和加速度另方面得

23

出一个满意的结果。这样加上步进电机是属于开环控制节省硬件资源，步进电机的应用会越来越广泛。 致谢

在这半年毕业设计过程中，我换过两次课题。在学校定的题目是“基于S7-200的步进电机调速系统”，但是在刚开始进行PLC的学习，就去公司实习，公司要求毕业设计用公司课题“基于伺服电机的烟条翻转机构的设计”，在公司实习的二十天中，我深入学习相关学习资料，在一切都准备妥当时，就剩硬件连接调试，我辞职了。在五一的时候，我重新回归到学校课题，在老师和同学的帮助下，我顺利完成硬件设计和调试工作。在此，谢谢指导老师赵贤林老师对我多次改课题的理解，并且还对我提供悉心指导，还有PLC老师大方的为我们提供实验室以及实验室同学陪我一起调程序。 参考文献：

[1]宋辉.用PLC实现步进电机的快速精确定位[J].电子技术，2009，04:82-83.

[2]王立红，赵越岭，杨忠文，王利国.基于PLC的步进电机转速控制方法研究[J].辽宁工业大学学报（自然科学版），2010,30(4):215-217.

[3]王永华.现代电气控制及PLC应用技术（第2版）[M]，北京:北京航空航天大学出版社，2008. [4]戴仙金等.西门子S7-200系列PLC应用与开发[M].北京:中国水利水电出版社，2007.

[5]谢忠寿，徐顼，李军.基于PLC在步进电机四相八拍中的应用[J].科技咨询导报，2007，03:102. [6]徐煜明.步进电机速度控制的研究与实现[J].工矿自动化，2007，04:82-85.

[7]喻伟闯，罗晓曙，杨春慧，梁承福.基于PLC的步进电机送料系统的设计与实现[J].工业控制计算机，2010，23（1）:91-92.

[8]金轶锋，秦玉伟.用PLC脉冲信号实现对步进电机角位移的控制[J].渭南师范学院学报，2009，24（5）:15-16.

[9] Stefano Bifaretti, Patrizio Tomei, Cristiano Maria Verrelli. A global robust iterative learning position control for current-fed permanent magnet step motors [J]. Automatica, 2011,47(1): 227-234.

[10] Sabir Rustemli, Murat Yilmaz, Metin Demirtas. Ripple reduction at speed and torque of step motors used on a two-axis robot arm Original Research Article[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2010, 26(6):759-767.

[11]刘志宝.步进电机的精确控制方法研究[D].济南：山东大学，2010：5-7.

[12]孙立中.步进电机的微机遥控系统设计[D].大庆：东北石油大学，2010:10-15.

[13]张立强.基于CPLD的步进电机升降速控制方法[D].青岛：中国海洋大学，2010:5-8.

[14]黄本纬.远程多轴步进电机控制驱动系统的研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008:7-10.

24

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/l55.html