PLC应用应注意的问题

目 录

一. 绪论?????????????????????????????????（4） 二. PLC应用应注意的问题?????????????????????????（5） （一）工作环境?????????????????????????????（5） （二）安装与布线????????????????????????????（5） （三）I/O端的接线???????????????????????????（5） （四）外部安全电路???????????????????????????（6） （五）PLC的接地????????????????????????????（6） （六）冗余系统与热备用系统??????????????????????（6） 三. 可编程序控制器的基本结构???????????????????????（7） （一）基本结构????????????????????????????（7） （二）可编程序控制器的工作原理???????????????????（11） （三）S7-200系列可编程序控制器性能简介?????????????（14）四. 步进电动机??????????????????????????????（16）

（一）步进电动机的特点???????????????????????（16）

（二）反应式步进电动机的结构???????????????????（16） （三）反应式步进电动机的工作原理?????????????????(18)

五. 电机的PLC控制????????????????????????????（22）

（一）调速控制????????????????????????????（22） （二）调速控制???????????????????????????（24） (三) 步进电动机的位置控制????????????????????（25）

结论?????????????????????????????????????（27） 致谢词????????????????????????????????????（28） 参考文献???????????????????????????????????（29） 英文资料???????????????????????????????????（30）

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PLC定位单元在运动控制领域的应用

[摘 要] PLC是基于计算机技术和自动控制理论发展而来的，它既不同于普通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊形式的计算机控制装置，它在系统结构，硬件组成，软件结构以及I/O通道，用户界面诸多方面都有其特殊性。

本文还对电机控制技术的发展状况作了简要的叙述，同时对电机控制中的关键技术，作了最简洁、最基本的描述。叙述了电动机传动系统中所涉及的动力学内容。由于PLC的运行可靠，编程方便等优点叙述了利用PLC对步进电机的位置控制系统的设计思想和实现过程，并给出了PLC的程序流程图。 [关键词] 电机控制 PLC 位置控制 步进电动机

Application of PLC positioning unit in the field of motion control

[Abstract]

PLC is according to the calculator technique and control the theories development

automatically since then of, it since differ from the common calculator, and then differ from the general calculator control system, being a kind of calculator of special form control device, it is in the system structure, the hardware constitute, the software structure and the input/output passage, the customer interface is various to all have it the special in many ways.

This text returns the description that controls the technical development condition to make the synopsis to the electrical engineering, controlling the medium key technique to the electrical engineering at the same time, making the most simple and direct and the most basic description. Describing the electric motor spreads to move the system in the dynamics contents involve. Because the PLC movement is dependable, the plait distance convenient etc. advantage describes to make use of the PLC to carry out the process towards treading the design thought that controls the system into the position of the electrical engineering and, and give PLC procedure flow chart.

[Key words] PLC VR position control stepping motor

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一 绪论

近年来，随着大规模集成电路的发展，以微处理机为核心组成的可编程控制器得到了迅速的发展，在电动机的运行控制、电磁阀的开闭、产品的计数、温度压力等的设定和控制等方面，可编程控制器正发挥着越来越大的作用。

可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称为PC或PLC，是60年代末发明的工业控制器件。日本电气控制学会曾对可编程控制器作了一个定义：可编程控制器是将逻辑运算，顺序控制，时序和计数以及算术运算等控制程序，用一串指令的形式存放到存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟，数字等输入输出部件，对生产设备和生产过程进行控制的装置。 PLC是基于计算机技术和自动控制理论发展而来的，它既不同于普通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊形式的计算机控制装置，它在系统结构，硬件组成，软件结构以及I/O通道，用户界面诸多方面都有其特殊性。

从原理上说，可编程控制器和计算机是一致的，为了和工业控制相适应，PLC采用扫描原理来工作，也就是对整个程序进行一遍又一遍的扫描，直到停机为止。之所以采用这样的工作方式，是因为PLC是由继电器控制发展而来的，而CPU的扫描用户程序的时间远远短于继电器的动作时间，只要采用循环扫描的办法就可以解决其中的矛盾。循环扫描的工作方式是PLC区别于普通的计算机控制系统的一个重要方面。

虽然各种PLC的组成各不相同，但是在结构上是基本相同的，一般由CPU、存储器、输入输出设备(I/O)和其他可选部件组成。其他的可选部件包括编程器，外存储器，模拟I/O盘，通信接口，扩展接口等。CPU是PLC的核心，它用于输入各种指令，完成预定的任务，起到了大脑的作用，自整定、预测控制和模糊控制等先进的控制算法也已经在CPU中得到了应用；存储器包括随机存储器RAM和只读存储器ROM，通常将程序以及所有的固定参数固化在ROM中，RAM则为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间；输入输出系统（I/O）使过程状态和参数输入到PLC的通道以及实时控制信号输出的通道，这些通道可以有模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出、脉冲量输入等，使PLC的应用十分广泛。

早期的PLC主要用于顺序控制上。所谓顺序控制，就是按照工艺流程的顺序，在控制信号的作用下，使得生产过程的各个执行机构自动地按照顺序动作。PLC的应用大大促进了流水线技术的发展。

今天的PLC已经开始用于闭环控制，不仅如此，随着其扩展能力和通信能力的发展，它也越来越多地应用到了复杂的分布式控制系统中。PLC自1969年问世以来，它按照成熟而又有效的继电器控制概念和设计思想，不断利用新科技，新器件，尤其和现在飞速发展的计算机技术相联系，逐步形成一门较为独立的新兴技术和具有特色的各种系列产品，同时也逐步发展成为一类解决自动化问题的有效而且便捷的方式。PLC自身具有的完善的功能，模块化的结构，以及开发容易、操作方便、性能稳定、可靠性高的特点和较高的性价比，使其在工业生产中的应用前景越发看好，而且随着集成电路的发展和网络时代的到来，PLC必将能够有更大的用武之地。

现在的主要的PLC的厂商都集中在日本和美国等发达国家，国内生产和制造PLC的工艺技术都还落后于这些国家。作为实现工业自动化的不可缺少的部分，大力发展PLC对于我国来讲是很重要的，也有深远的意义。

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二 PLC应用应注意的问题

PLC是专门为工业生产服务的控制装置，通常不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。但是，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都不能保证PLC的正常运行，因此在使用中应注意以下问题。 (一)工作环境

1． 温度

PLC要求环境温度在0~55℃，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔；开关柜上、下部应有通风的百叶窗，防止太阳光直接照射；如果周围环境超过55℃，要安装电风扇强迫通风。 2． 湿度

为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）

3． 震动

应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。 4． 空气

避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中，并安装空气净化装置。 5． 电源

PLC供电电源为50Hz、220（1±10%）V的交流电，对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力。对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特别严重的环境，可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。还可以在电源输入端串接LC滤波电路。 （二）安装与布线

1． 动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应 采用双胶线连接。

2． PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装 在同一个开关柜内。

3． PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。

4． PLC基本单元与扩展单元以及功能模块的连接线缆应单独敷设，以防止外界信号的干扰。

5． 交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。

（三）I/O端的接线 1． 输入接线

（1） 输入接线一般不要超过30米。但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。 （2） 输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开。

（3） 尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。 2． 输出连接

（1） 输出端接线分为独立输出和公共输出。在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电

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压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。

（2） 由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板，因此，应用熔丝保护输出元件。

（3） 采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时选择继电器工作寿命要长。

（4） PLC的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路，晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。 （四）外部安全电路

为了确保整个系统能在安全状态下可靠工作，避免由于外部电源发生故障、PLC出现异常、误操作以及误输出造成的重大经济损失和人身伤亡事故，PLC外部应安装必要的保护电路。 1. 急停电路。对于能使用户造成伤害的危险负载，除了在控制程序中加以考虑之外，还应设计外部紧急停车电路，使得PLC发生故障时，能将引起伤害的负载电源可靠切断。

2. 保护电路。正反向运转等可逆操作的控制系统，要设置外部电器互锁保护；往复运行及升降移动的控制系统，要设置外部限位保护电路。

3. 可编程控制器有监视定时器等自检功能，检查出异常时，输出全部关闭。但当可编程控制器CPU故障时就不能控制输出，因此，对于能使用户造成伤害的危险负载，为确保设备在安全状态下运行，需设计外电路加以防护。

4. 电源过负荷的防护。如果PLC电源发生故障，中断时间少于10秒，PLC工作不受影响，若电源中断超过10秒或电源下降超过允许值，则PLC停止工作，所有的输出点均同时断开；当电源恢复时，若RUN输入接通，则操作自动进行。因此，对一些易过负载的输入设备应设置必要的限流保护电路。

5. 重大故障的报警及防护。对于易发生重大事故的场所，为了确保控制系统在重大事故发生时仍可靠的报警及防护，应将与重大故障有联系的信号通过外电路输出，以使控制系统在安全状况下运行。 （五） PLC的接地

良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。PLC的接地线与机器的接地端相接，接地线的截面积应不小于2mm2 ，接地电阻小于100Ω；如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点接在一起。为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰，应给PLC接上专用地线，接地点应与动力设备（如电机）的接地点分开；若达不到这种要求，也必须做到与其它设备公共接地，禁止与其它设备串连接地。接地点应尽可能靠近PLC。 （六）冗余系统与热备用系统

在石油、化工、冶金等行业的某些系统中，要求控制装置有极高的可靠性。如果控制系统发生故障，将会造成停产、原料大量浪费或设备损坏，给企业造成极大的经济损失。但是仅靠提高控制系统硬件的可靠性来满足上述要求是远远不够的，因为PLC本身可靠性的提高是有一定的限度。使用冗余系统或热备用系统就能够比较有效地解决上述问题。

1.冗余控制系统

在冗余控制系统中，整个PLC控制系统（或系统中最重要的部分，如CPU模块）由两套完全相同的系统组成。两块CPU模块使用相同的用户程序并行工作，其中一块是主CPU，另一块是备

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用CPU；主CPU工作，而备用CPU的输出是被禁止的，当主CPU发生故障时，备用CPU自动投入运行。这一切换过程是由冗余处理单元RPU控制的，切换时间在1~3个扫描周期，I/O系统的切换也是由RPU完成的。

2.热备用系统

在热备用系统中，两台CPU用通讯接口连接在一起，均处于通电状态。当系统出现故障时， 由主CPU通知备用CPU，使备用CPU投入运行。这一切换过程一般不太快，但它的结构有比冗余系统简单

三.可编程序控制器的基本结构

（一）基本结构

可编程序控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成(见图3.1).

图3.1 PLC控制系统示意图

(1) CPU模块

在可编程序控制器中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执用户程序，刷新系统的输出。 (2)I/0模块

输入(Input)模块和输出(Output)模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来采集输入信号。数字量(或开关量)输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的数字量输入信号;模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。

CPU模块的工作电压一般是DC 5V,而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高，如DC 24V和AC 220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或影响可编程序控制器的正常工作。在I/O模块中，用光耦合器、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。 (3)编程装置

编程装置用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型可编程序控制器编程，或者用于现场调试和维修。

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使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编辑后下载到可编程序控制器，也可以将可编程序控制器中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。

可以用编程软件设置可编程控制器的各种参数。通过通信，可以显示梯形图中触点和线圈的通断情况，以及运行时可编程序控制器内部的各种参数，对于查找故障非常有用。

给S7-200编程时，应配备一台安装有STEP 7-Micro/WIN 32编程软件的计算机和一根连接计算机和可编程序控制器的PC/PPI通信电缆。 (4) 电源

可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC 5V, ±12V, 24V等直流电源。小型可编程序控制器一般都可以为输入电路和外部的电子传感器(如接近开关)提供24V直流电源，驱动可编程序控制器负载的直流电源一般由用户提供。 1.可编程序控制器的物理结构

根据硬件结构的不同，可将可编程序控制器分为整体式、模块式和混合式。 (1)整体式可编程序控制器

整体式又叫做单元式或箱体式，它的体积小，价格低，小型可编程序控制器一般采用整体式结构。

整体式可编程序控制器中的CPU模块、I/O模块和电源装载一个箱型机壳内，称为基本单元，S7-200称为CPU模块。图中的“前盖”下面有RUN/STOP开关，模拟量电位器和扩展I/O连接器。S7-200系列可编程序控制器提供多种具有不同I/O点数的CPU模块和数字量、模拟量I/O扩展模块供用户选用。CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接，可选用全输入或全输出型的数字量I/0扩展单元来改变输入/输出的比例。

整体式可编程序控制器还配备有许多专用的特殊功能模块，如模拟量输入/输出模块、热电偶、热电阻模块、通信模块等，使可编程序控制器的功能得到扩展。 (2)模块式可编程序控制器

大、中型可编程序控制器(如西门子的S7-300,S7-400系列)一般采用模块式结构，用搭积木的方式组成系统，它由机架和模块组成。模块插在模块插座上，后者焊在机架中的总线连接板上。可编程序控制器厂家备有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下所选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用I/0扩展电缆连接。

用户可选用不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能模块，对硬件选择的余地较大，维修时更换模块也很方便。

整体式可编程序控制器每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，在小型控制系统中一般采用整体式结构。但是模块式可编程序控制器的硬件组态方便灵活，I/O点数的多少，输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类和块数、特殊I/O模块的使用等方面的选择余地都比整体式可编程序控制器大的多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便，因此较复杂的、要求较高的系统一般选用模块式可编程序控制器。 2. CPU模块 (1) CPU芯片

CPU模块主要由微处理器(CPU芯片)和存储器组成。可编程序控制器使用下列微处理器:

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1) 通用微处理器。如Intel公司的8086. 80186到Pentium系列芯片。 2) 单片微处理器(单片机)。如Intel公司的MCS-96系列单片机。 3) 位片式微处理器。如AMD 2900系列位片式微处理器。 (2)存储器

存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序相当于个人计算机的操作系统，它使可编程序控制器具有基本的智能，能够完成可编程序控制器设计者规定的各种工作。系统程序由可编程序控制器生产厂家设计并固化在ROM(只读存储器)中，用户不能读取。用户程序由用户设计，它使可编程序控制器完成用户要求的特定功能。用户程序存储器的容量以字为单位。

可编程序控制器使用以下几种物理存储器: 1)随机存取存储器(RAM)

用户可以用编程装置读出RAM 中的内容，也可以将用户程序写入RAM，因此RAM又叫读/写存储器。它是易失性的存储器，它的电源中断后，存储器的信息将会丢失。RAM的工作速度高，价格便宜，改写方便。在关断可编程序控制器的外部电源后，可用锂电池保存RAM中的用户程序和某些数据。锂电池可用2～5年，需要更换锂电池时，由可编程序控制器发出信号。现在部分可编程序控制器仍用RAM来存储用户程序。 2)只读存储器(ROM)

ROM的内容只能读出，不能写入.它是非易失的，它的电源消失后，仍能保存存储器的内容。ROM一般用来存放可编程序控制器的系统程序。 3)可电擦除可编程的只读存储器(EEPROM)

它是非易失性的，但是可以用编程装置对它编程，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，但是将信息写入它所需的时间比RAM长得多。EEPROM用来存放用户程序和需长期保存得重要数据。 3. I/0模块

各I/0点得通断状态用发光二极管显示，外部接线一般接在模块面板得接线端子上。某些模块使用可拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的外部连线，就可以迅速地更换模块。点数多的高密度1/0模块的外部接线一般用插座连接，用户可选用连接插座的电缆和端子板。 (1)输入模块

输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触电抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。滤波电路延迟时间的典型值为10～20ms(信号上升沿)和20～50ms(信号下降沿)，输入电流为数毫安。

图3.2输入电路

图3.2是某直流输入模块的内部电路和外部接线图，图中只画出了一路输入电路，1M是同一输入组内各输入信号的公共点。S7-200可以用CPU模块输出的24V直流电源作为输入回路的电源，它还可以为接近开关、光电开关之类的传感器提供24V直流电源。

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当图中的外接触电接通时，光耦合器中两个反并联的发光二极管亮，光敏三极管饱和导通:外接触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止。信号经内部电路送给CPU模块。显然，可以改变图中输入回路的电源极性。

交流输入方式适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用，输入电压有110V, 220V两种。直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。 (2)输出模块

输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应管、驱动交流负载的双向晶闸管，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。输出电流的典型值为0.5～2A,负载电源由外部现场提供。

输出电流的额定值与负载的性质有关，例如S7-200的继电器输出电路可以驱动2A的电阻性负载，但是只能驱动200W的白炽灯。输出电路一般分为若干组，对每一组的总电流也有限制。额定输出电流还与温度有关，温度升高时额定输出电流减少，有的可编程序控制器提供了有关的曲线。 图3.3是继电器输出电路。继电器同时起隔离和功率放大作用，每一路只给用户提供一对常开触点。与触点并联的RC电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧。

图3.4是使用场效应管(MOSFET)的输出电路。输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光耦合器送给场效应管，后者的饱和导通状态和截断状态相当于触点的接通和断开。图中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护场效应管。场效应管输出电路的工作频率可达20KHz.

图3.3 PLC输出电路

图3.4 PLC输出电路

除了输入模块和输出模块，还有一种既有输入电路又有输出电路的模块，输入输出的点数一般相同，这种模块使用户确定可编程序控制器的硬件配置更为方便。

继电器输出模块的使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢，寿命(动作次数)有一定的限制。如果系统输出量的变化不是频繁，建议优先选用继电器型的。

晶体管型与双向晶闸管型模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应速度快，

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寿命长，但是过载能力差。 4.可编程序控制器的外部接线

图3.5是CPU222模块的外部接线图，8个输入点10.0～10.7分为两组，1M和2M分别是两组输入点内部电路的公共端。L+和M端子分别是模块提供24V直流电源的正极和负极，可用该电源作为输入电路的电源。24V直流电源还可以用于外部的电子传感器。

1L和2L分别是两组输出点内部电路的公共端。如果是继电器输出，输出回路可使用AC 220V电源电压。可编程序控制器的交流电源接在L1(相线)和N(零线)端，此外还有保护接地(PE)端子。

图3.5 CPU222的外部接线

（二）可编程序控制器的工作原理 1.用触点和线圈实现逻辑运算

在数字控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态，如高电平和低电平、继电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开，可用逻辑代数中的1和0表示它们。在波形图中，用高电平表示1状态，用低电平表示0状态。

“与”、“或”、“非”逻辑运算的输入/输出关系如表3-1所示，用继电器电路或梯形图可以实现 “与”、“或”、“非”逻辑运算。用多个触点的串、并联电路可以实现复杂的逻辑运算。 表3-1逻辑运算关系表

与 Q0. 0=I0.02IO.1 IO.0 0 0 1 1 IO.1 0 1 0 1 QO.0 0 0 0 1 或 Q0. 1=I0.2+I0.3 IO.2 0 0 1 1 IO.3 0 1 0 1 QO.1 0 1 1 1 非 Q0.2=IO.4 IO.4 0 1 QO.2 1 0 接触器的结构和工作原理与继电器的基本相同，区别仅在于继电器触点的额定电流较小(如几十毫安)，而接触器是用来控制大电流负载的，例如它可以控制额定电流为几十安培至上千安培的异步电动机。

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2.可编程序控制器的工作方式 (1)工作方式

可编程序控制器有两种工作方式，即RUN(运行)方式与STOP(停止)方式。在RUN方式，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。在CPU模块的面板上用“RUN\LED显示当前的工作方式。

在STOP方式，CPU不执行用户程序，可用编程软件创建和编辑用户程序，设置可编程序控制器的硬件功能，并将用户程序和硬件设置信息下载到可编程序控制器。如果有致命错误，在消除它之前不允许从停止方式进入运行方式。可编程序控制器操作系统存储非致命错误供用户检查，但不会从运行方式自动进入停止方式。 (2)方式开关改变工作方式

CPU模块上的方式开关在STOP位置时将停止用户程序的运行;在RUN位置时，将启动用户程序的运行。方式开关在STOP或TERM位置时。电源通电后CPU自动进入STOP方式:在RUN位置时电源通电后自动进入RUN方式。

(3)用STEP 7-Micro/WIN 32编程软件改变工作方式

在用编程软件控制CPU的工作方式之前，首先应在编程软件与可编程序控制器之间建立起通信连接，并将方式开关设置在RUN或TERM位置.允许用编程软件改变CPU的工作方式。在软件中单击工具条上的运行按钮可进入运行方式，单击停止按钮可进入停止方式。选择“PLC一运行”菜单命令可进入运行方式，选择“PLC-停止”菜单命令可进入停止方式。 (4)程序中改变工作方式

在程序中插入STOP指令，可使CPU由RUN方式进入STOP方式。 3.可编程序控制器的工作原理

可编程序控制器通电后，需要对硬件和软件做一些初始化的工作。为了使可编程序控制器的输出及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停地分阶段处理各种不同的任务(见图3.6)，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。 (1)读取输入

在可编程序控制器的存储中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。CPU以字节为单位来读写输入/输出映像寄存器。

在读取输入阶段，可编程序控制器把所有外部数字量输入电路的ON/OFF状态读入输入映像寄存器。外接的输入电路闭合时，对应的输入映像寄存器为1状态，梯形图中对应的输入点的常开触点接通，常闭触点断开。外接输入电路断开时，对应的输入映像寄存器为0状态，梯形图中对应的输入点的常开触点断开，常闭触点接通。

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图3.6扫描过程

(2)执行用户程序

可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按顺序排列。在RUN工作方式的程序执行阶段，在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直至遇到结束(END)指令。遇到结束指令时，CPU检查系统的智能模块是否需要服务。在执行指令时，从I/0映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读出其0/I状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，映像的结果写入相应的映像寄存器中。因此，各映像寄存器(只读的输入映像寄存器除外)的内容随着程序的执行而变化。

在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变化，输入信号变化的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读入。执行程序时，对输入/输出的存取通常时通过映像寄存器，而不是实际的I/0点，这样做有以下好处:

1)程序执行阶段的输入值是固定的，程序执行完后再用输出映像寄存器的值更新输出点，使系统的运行稳定。

2)用户程序读写I/0映像寄存器比读写I/0点快得多，这样可以提高程序的行速度。 3) I/0点必须按位来存取，而映像寄存器可按位、字节、字或双字来存取，灵活性好。 (3)通信处理

在智能模块通信处理阶段，CPU模块检查智能模块是否需要服务，如果需要，读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，供下一扫描周期使用。在通信信息处理阶段，CPU处理通信口接收到的信息，在适当的时候将信息传送给通信请求方。 (4) CPU自诊断测试

自诊断测试包括定期检查EEPROM、用户程序存储器、I/0模块状态以及I/0扩展总线的一致性，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。 (5)修改输出

CPU执行完用户程序后，将输出映像寄存器的0/I状态传送到输出模块并锁存起来。梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出点的线圈“断电”，对应的输出映像寄存器中存放的二进制数为0，将它送到继电器型输出模块，对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。

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当CPU的工作方式从RUN变为STOP时，数字量输出被置为系统块中的输出表定义的状态，或保持当时的状态。默认的设置是将数字量输出清零，模拟量输出保持最后的值。 (6)中断程序的处理

如果在程序中使用了中断，中断事件发生时立即执行中断程序，中断程序可能在扫描周期的任意点上被执行。 (7)立即I/0处理

在程序执行过程中使用立即I/0指令可以直接存取I/0点。用立即I/0指令读输入点的值时，相应的输入映像寄存器的值未被更新。用立即I/0指令来改写输出点时，相应的输出映像寄存器的值被更新。

(三) S7-200系列可编程序控制器性能简介

西门子公司的SIMATIC S7-200系列属于小型可编程序控制器，可用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它由极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。

S7-200的可靠性高，可用梯形图、语句表(即指令表)和功能模块图3种语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握、操作方便。内置有高速计数器、高速输出、PID控制器、RS485通信/编程接口、PPI通信协议和自由方式通信功能，I/0端子排可以很容易的拆卸。最大可扩展到248点数字量I/0或35路模拟量I/0，最多有26KB程序和数据存储空间。

S7-200在下列领域已经得到了广泛的应用:机床电气、纺织机械、印刷机械、塑料机械、包装机械、烟草机械、冲压机械、铸造机械、运输带、食品工业、化工工业、陶瓷工业、环保设备、电力自动化设备、实验室设备、电梯、中央空调、真空装置、恒压供水和化工系统中各种泵和电磁阀的控制等。 1. CPU模块

S7-200有5种CPU模块，CPU221无扩展功能，适于用小点数的微型控制器。CPU222有扩展功能，CPU224是具有较强控制功能的控制器，CPU226和CPU226XM适用于复杂的中小型控制系统。S7-200 CPU的指令功能强，有传送、比较、移位、循环移位、产生补码、调用子程序、脉冲宽度调制、脉冲序列输出、跳转、数字转换、算术运算、字逻辑运算、浮点数运算、开平方、三角函数和PID控制指令等，采用主程序、最多8级子程序和中断程序的程序结构，用户可使用1～255ms的定时中断。用户程序可设3级口令保护，监控定时器(看门狗)的定时时间为300ms.

数字量输入中有4个可用作硬件中断，6个用于高速功能。32位高速加碱计数器的最高计数频率为30kHz,可对增量式编码器的两个互差90°的脉冲列计数，计数值等于设定值或计数方向改变时产生中断，在中断程序中可及时地对输出进行操作。两个高速输出可输出最高20kHz,频率和宽度可调的脉冲列。

RS-485串行通信口的外部信号与逻辑电路之间不隔离，支持PPI, DP/T、自由通信口协议和PROFIBUS点对点协议(使用NETR/NETW指令)。PPI/MPI协议的波特率为9.6Kbps. 19.2Kbps和187.5Kbps;自由口协议的波特率为0.3Kbps, 0.6Kbps,1.2Kbps, 2.4Kbps, 4.8Kbps, 9.6Kbps, 19.2Kbps、和38.4Kbps。单段网络最大电缆长度:38.4Kbps时为1200m,187.5Kbps时为1000m.每个网络最多126个站，最多32个站。MPI共有4个连接，2个分别保留给编程器(PG)和操作员面板(OP)。通信接口可用于与运行编程软件计算机通信，与人机接口(操作员界面)TD200和OP通信，以及与

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S7-200 CPU之间通信。通过自由通信口协议，可与其他设备进行串行通信。通过AS-I通信接口模块，可接入496个远程数字量输入输出点。

数据存储器可永久保存，或用超级电容和电池保持。超级电容充电20min,可充60%的电量。可选的存储器卡可永久保存程序、数据和组态信息，可选的电池卡保存数据的时间典型值为200天。

DC输出型有高速脉冲输出，边沿中断为4个上升沿和2或4个下降沿。高速计速器的单相逻辑电平为15～30V DC时，时钟输入速率为20kHz;单相逻辑1电平为15～26V DC时，时钟输入速率为30kHz。两项逻辑1电平为15～30V DC时，时钟输入速率为lOkHz;两项逻辑1电平为15～26V DC时，时钟输入速率为20kHz。实时时钟精度在250°C时为2min/月，0～55°C时为7min/月。

S7-200的DC输出型电路用场效应管(MOSFET)作为功率放大元件，继电器输出型用继电器触点控制外部负载。DC输出的最高开关频率为20kHz，继电器输出的最高输出频率为1Hz. 2.数字量扩展模块

可选用不同I/0点数的数字量扩展模块，可以满足不同的控制需要，节约投资费用。系统规模扩大后，增加I/0点数也很方便。用可选用8点、16点和32点的数字量输入/输出模块，除CPU221外，其他CPU模块均可配接多个扩展模块，连接时CPU模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的模块相连。 表3-2数字量扩展模块

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3.模拟量输入输出扩展模块

在工业控制中，某些输入量(如压力、温度、流量、转速等)是模拟量，某些执行机构(如晶闸管调速装、电动调节阀和变频器等)要求可编程序控制器输出模拟信号，而可编程序控制器的CPU只能处理数字量。模拟量首先被传感器和变送器转换为标准的电流或电压，4～20mA, 1～5V, 0～1OV,可编程序控制器用A/D转换器将它们转换成数字量。这些数字量可能是二进制的，也可能是十进制的，带正负号的电流或电压在A/D转换后用二进制补码表示。

D/A转换器将可编程序控制器的数字输出量转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。模拟量I/O模块的主要任务就是实现AID转换(模拟量输入)和D/A转换(模拟量输出)。

A/D, D/A转换器的二进制位数反映了它们的分辨率，位数越多，分辨率越高，例如8位A/D转换器的分辨率为1/2 =0.38% 。模拟量输入/输出模块的另一个重要指标是转换时间。

S7-200有3种模拟量扩展模块. S7-200的模拟量扩展模块中A/D,D/A转换器的位数为12位。模拟量输入、输出有多种量程供选用。 表3-3模拟量扩展模块技术数据

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A/D转换的时间小于250μs,模拟量输入的阶跃相应时间为1.5ms(到达稳定值的95%时)。单极性全量程输入范围对应的数字量输出为0～32000，双极性全量程输入范围对应的数字量输出为-32000～ +32000.输入阻抗大于等于l0MΩ.

四 步进电动机

步进电动机是纯粹地数字控制电动机。它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度，因此非常适合于数字量控制。 （一）步进电动机的特点:

1. 步进电动机地角位移与输入脉冲数严格成正比，因此，当它转一转后，没有累计误差，有良好的跟随性。

2. 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，即非常简单，廉价，又非常可靠。同时可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。

3. 步进电机的动态响应快，易于起停，正反转及变速。

4. 速度可以在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。

5. 步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源或直流电源。 6. 步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。 7. 步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。 （二）反应式步进电动机的结构

步进电动机可分为3大类。

1. 反应式步进电动机(variable reluctance)

反应式步进电动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，但动态性能差。

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2.永磁式步进电动机(permanent magnet)

永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大，动态性能好。转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大，需供给正负脉冲信号。

3.混合式步进电动机(hybrid)

混合式步进电动机综合了反应式和永磁式两者的优点，它输出转矩大，动态性能好，步距角小，但结构复杂，成本较高。

图4.1是一个三相反应式步进电动机结构图。从图中可以看出，它分成转子和定子两部分。定子是由硅钢片叠成的。定子上有6个大磁极(大极)，每两个相对磁极(N. S极)组成一对，共有3对。每对磁极都缠有同一绕组，也即形成一相。这样3对磁极有3个绕组，形成3相。可以看出，四相步进电动机有4对磁极，4相绕组;五相步进电动机有5对磁极，5相绕组;依此类推，每个磁极的内表面都分布着多个小齿，它们大小相同，间距相同。

图4.1三相反应式步进电动机结构

转子是由软磁材料制成的，其外表面也均匀分布着小齿，这些小齿与定子磁极上的小齿的齿距相同，形状相似.由于小齿的齿距相同，所以不管定子还是转子，它们的齿距角可以用下式来计算:

(4.1)

式中Z-— 转子的齿数。

例如，如果转子的齿数为40，则磁距角为

反应式步进电动机运动的动力来自于电磁力。在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁

导率(或者最小磁阻)的位置(如图4.2(a)所示，定子小齿于转子小齿对齐的位置)，并处于平衡状态。对三相步进电动机来说，当某一相的磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置(如图4.2 (b)所示，定子小齿与转子小齿不对齐的位置)。

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图4.2定子齿与转子齿间的磁导现象

我们把定子小齿与转子小齿对齐的状态称为对齿;把定子小齿与转子小齿不对齐的状态称错齿。错齿的存在是步进电动机能够旋转的前提条件，所以，在步进电机的结构中必须保证有错齿存在，也就是说，当某一相处于对齿状态时，其他相必须处于错齿状态。

如果转子有40个齿，则转子的齿距角为9°因为定子的齿距角与转子相同，定子的齿距角也是9°。所不同的时，转子的齿是圆周分布的，而定子的齿只分布在磁极上，属于不完全齿。当某一相处于对齿状态时，该相磁极上定子的所有小齿都与转子的小齿对齐。

三相步进电动机的每一相磁极在空间上相差120°。例如当前A相处于对齿状态，以A相位置作为参考点，B相与A相相差120°, C相与A相相差240°。我们可以计算当A相处于对齿状态时，B, C两相的错齿程度。将A相磁极中心线看成0°，在0°处的转子齿为0号齿，则在120°处的B相磁极中心线上对应的转子齿号为120°/9° =13.3°，即B相磁极中心线处于转子第13号齿再转过1/3齿距角的地方，如图4.3所示。这说明B相错了1/3个齿距角，也即错齿3°.

同理，与A相相差240°的C相磁极中心线上对应的齿号为240°/ 90° = 26.6°，即C相磁极中心线处于转子第26号齿再过2/3齿距角的地方，如图4.3所示。这说明C相错齿6°。

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图4.3 A相对齿时B、C相的错齿

（三）反应式步进电动机的工作原理

如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大(或磁阻最小)的位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电动机就是基于这一原理转动的。步进电动机步进的过程也可通过图4.4进一步说明。当开关

图4.4步进电动机的步进原理

将A相断电，同时将凡合上，使处于错1/3个齿距角的B相通电，并建立磁场。转子在电磁力的作用下，向与B形成对齿的位置转动。其结果是:转子转动了1/3个齿距角;B相与转子形成对齿;C相与转子错1/3个齿距角;A相与转子错2/3个齿距角。

相似的，在B相断电的同时，合开关凡给C相通电建立磁场，转子又转动了1/3个齿距角，与C相形成对齿，并且A相与转子错1/3个齿距角，B相与转子错2/3个齿距角。与C相断电，再给A相通电时，转子又转动了1/3个齿距角，与A相形成对齿，与B, C两相形成错齿。至此，所有的状态与最初时一样，只不过累计转过了一个齿距。

可见，由于按A-B-C-A顺序轮流给各项绕组通电，磁场按A-B-C方向转过了360°，转子则沿相同方向转过一个齿距角。同样，如果改变通电顺序，即按与上面相反的方向(A-C-B-A的顺序)通电，则转子的转向也改变。如果对绕组通电一次的操作称为一拍，那么前面所述的三相反应式步进电动机的三相轮流通电就需要三拍。转子每拍走一步，转一个齿距角需要3步。转子走一步所转过的角度称为步距角

，可用下式计算

合上时，A相绕组通电，使A相磁场建立。A相定子磁极

上的齿与转子的齿形成对齿，同时，B相、C相上的齿与转子形成错齿。

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(4.2)

式中N— 步进电动机工作拍数。

例如，对于转子有40个齿的三相步进电动机来说，转过一个齿距角相当于转过9°，共有了3步，每换相一次走一步，这样每步走了3°，距角为3°.从以上分析可知，反应式步进电动机对机构的要求是:1)定子绕组磁极的分度角(如三相的120°和240°)不能被齿距角整除，否则无法形成错齿:2)定子绕组磁极的分度角被齿距角除后所得的余数，应是步距角的倍数，而且倍数值与相数不能有公因子，否则无法形成对齿。

1.单三拍工作方式

三线步进电动机如果按A-B-C-A方式循环通电工作，就称这种工作方式为单三拍工作方式。其中“单”指的是每次对一个相通电;“三拍”指的是磁场旋转一周需要换相3次，这时转子转动一个齿距角。如果对多相步进电动机来说，每次只对一相通电，要使磁场旋转一周就需要多拍。以单三拍工作方式工作的步进电动机，其步距角式4.2计算。

图4.5单三拍工作方式时的相电压、电流波形

在用单三拍方式工作时，各相通电的波形如图4.5所示。其中电压波形是方波而电流波形则是山两段指数曲线组成。这时因为受步进电机绕组绕组电感的影响，当绕组通电时，电感阻止电流的快速变化:当绕组断电时，储存在绕组中的电能通过续流二极管放电。电流的上升时间取决于回路中的时间常数。我们希望绕组中的电流能像电压一样突变，这一点与其它电动机不同，因为这样会使绕组在通电时能迅速建立磁场，断电时不会干扰其他相磁场。为了达到这一目可以有许多方法。在续流二极管回路中串联一个电阻是其中一种有效的方法。它可以在绕组断电时，通过续流二极管将储存在绕组中的电能消耗在电阻上，表现为电流波形下降的速度加快，下降时间减小。

2.双三拍工作方式

三相步进电动机的各相除了采用单三拍方式通电工作外，还可以有其他通电方式。双三拍是其中之一。

双三拍的工作方式是:每次对两相同时通电，即所谓双;磁场旋转一周需要换相3次，即所谓三拍，转子转动一个齿距角，这与单三拍是一样的。在双三拍工作方式中，步进电动机的正转的通电顺序是:AB-BC-CA;反转通电方式顺序是:BA- AC- CB.因为在双三拍工作方式中，转子转动一个齿距角需要的拍数也是三拍，所以。它的步距角与单三拍时一样，仍然用式4.2求得。在用双三拍方式工作时，各相通电的波形如图4.6所示。由图可见，每一拍中，都由两相通电，每一相通电时间都持续两拍。所以，双拍通电得时间长，消耗得电功率大，当然，获得的电磁转矩也大。

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图4.6双三拍工作方式时的相电压，电流波形

双三拍工作时所产生的磁场形状与单三拍时不一样，如图4.7所示。与单三拍另一个不同之处是:双三拍工作时的磁导率最大位置并不是转子处于对齿的位置。

图4.7双三拍工作时的磁场情况

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图4.8双三拍时转子的稳定平衡位置

当AB两相通电时，最大的磁导率的位置时转子齿与A, B两相磁极的齿分别错±1/6齿距角的位置，此时转子齿与C相错1/2个齿距角，如图4.8(a)所示。也就是说，在最大磁导率位置时，没有对齿存在。在这个位置，A和B (或A与B)两个磁极所产生的磁场，使定子与转子相互作用的电磁转矩大小相等，方向相反，使转子处于平衡状态。

同样，当BC两相通电时，平衡位置是转子齿与B, C两相磁极的齿分别错±1/6个齿距角的位置，如图4.8(b)所示;当CA两相通电时，平衡位置是转子齿与C, A两相磁极的齿分别错±1/6个齿距角的位置，如图4.8(c)所示.

3.六拍工作方式

六拍工作方式是三相步进电动机另一种通电方式。这是单三拍和双三拍交替使用的一种方法，也称作单双六拍或1-2相励磁法。步进电动机正转通电顺序是:A-AB-B-BC-C-CA;反转通电顺序是:A-AC-C-CB-B-BA。可见，磁场旋转一周，通电需要换相6次(即六拍)，转子才转动一个齿距角。这是与单三拍和双三拍最大的区别。由于转子转动一个齿距角需要六拍，根据式4.2，六拍工作时的步距角要比单三拍和双三拍时的步距角小一半，所以步进精度要高一倍。六拍工作时，各相通电的电压和电流波形如图4.9所示。可以看出，在使用六拍工作方式时，有三拍是单相通电，有三拍是双相通电;对任一相来说，它的电压波形是一个方波，周期为六拍，其中有三拍连续通电，有三拍连续断电。

图4.9六拍工作方式的相电压、电流波形

以上我们介绍了三相步进电动机的工作方式。对于多相步进电动机，也可以有几种工作方式。例如四相步进电动机，有单四拍(A-B-C-D)、双四拍(AB-BC-CD-DA)、八拍(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA,或者AB-ABC-BC-BCD-CD-CDA-DAB )。

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五电机的PLC控制

(一) 脉冲实现

实现脉冲分配(也就是通电换相控制)的方法有两种:软件法和硬件法。

图5.1用软件实现脉冲分配的接口示意图 1.通过软件实现脉冲分配

软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过PLC的I/O口向驱动电路发出控制脉冲。图5.1是用这种方法控制三相步进电动机的硬件接口例子。利用PLC的Q0.0～QO.2这三条I/0线,向三相步进电动机传送控制信号。三相六拍工作方式通电换相的正序为:A-AB-B-BC-C-CA，共有六个通电状态。如果QO.x口输出的信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电，则可用6个控制字来对应这6个通电状态。这6个控制字如表5-1所示。 表5-1三相六拍工作方式的控制字

在程序中，只要依次将这6个控制字送到QO.X口，步进电动机就会转动一个齿距角。每送一个控制字，就完成一拍，步进电动机转过一个步距角。程序就是根据这个原理进行设计的。

软件法在电动机运行过程中，要不停地产生控制脉冲，占用了大量她CPU时间，所以，人们更喜欢用硬件法。 2.通过硬件实现脉冲分配

所谓硬件法实际上是使用脉冲分配器芯片，来控制通电换相控制。脉冲分配器有很多种，其中，SH-3F075步进电机驱动器集成电路芯片是属于单极性控制，用于控制三相六拍方式步进电动机。有以下不同的工作方式:

SH-3F075是单时钟输入;具有方向控制、脱机方式等功能;所有内部都设有施密特整形电路，抗干扰能力强;使用24V直流电源，输出电流为3A.

SH-3F075有12个引脚。各引脚功能如表5-2所示

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表5-2 SH-3F075引脚功能

SH-3F075脉冲分配器与PLC的接口如图5.2所示。单时钟输入方式，SH-3FO75第1脚为步进脉冲 输入端，2脚为转向控制端，这两个引脚的输入均由PLC提供和控制。对三相步进电动机进行六拍方式控制，所以5, 6, 7, 8, 9, 10脚分别接三相步进电动机的三个绕组。

图5.2 SH-3F075与PLC接口

(二)调速控制

步进电动机的速度控制通过控制PLC发出的步进脉冲频率来实现。对于图5.1所示的软件脉冲分配方式，可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速。

根据调速原理，控制步进电动机速度的方法可有两种。

第一种是通过软件延时的方法。改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率, 但这种方法使CPU长时间等待，占用大量机时，因此没有使用价值。

第二种是通过定时器中断的方法。在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速。这种方法占用CPU时间较少，是一种比较实用的调速方法。 (三) 步进电动机的位置控制

步进电动机的位置控制，指的是控制步进电动机带动执行机构从一个位置精确的运行到另一

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个位置。步进电动机的位置控制是步进电动机的一大优点，它可以不用借助位置传感器而只需简单的开环控制就能达到足够的位置精度，因此应用广泛。

步进电动机的位置控制需要两个参数。

第一个参数是步进电动机控制的执行机构当前的位置参数，我们称为绝对位置。绝对位置是有极限的，其极限是执行机构运动的范围，超过了这个极限就应报警。

第二个参数是从当前位置移动到目标位置的距离，我们可以用折算的方式将这个距离折算成步进电动机的步数。这个参数是外界通过键盘或可调电位器旋转钮输入的，所以折算的工作应该在键盘程序或A/D转换程序中完成。

对步进电动机位置控制的一般方法是:步进电动机每走一步，步数减一，如果没有失步存在，当执行机构到达目标位置时，步数正好减到0。因此，用步数等于0来判断是否移动到目标位，作为步进电动机停止运行的信号。绝对位置参数可作为人机对话的显示参数，或作为其他控制目的的重要参数，因此也必须要给出。它与步进电动机的转向有关，当步进电动机正转时，步进电动机每走一步，绝对位置加1:当步进电动机反转时，绝对位置减1。其硬件连接如图5.2所示，所有的操作仍然都发生在定时器中断程序中，而且每次中断仍然改变一次Q 0.0的状态，也就是说，每两次中断步进电动机才走一步。其中断服务子程序框图如图5.3所示

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图5. 3位置控制程序框图

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结论

步进电机的主要优点是定位精度高，无积累位置误差，其开环运行的机制大大减少了系统成本。但是存在着缺点:转速不够平稳运行会发生振荡现象。通过对步进电机的实测分析得知:

1.步进电机启动时突加高频脉冲信号，电机会产生啸叫、失步、甚至不能启动，而电机由高速运转突然停车时，即由高频脉冲骤然降至零脉冲，电机也会产生啸叫、振动。步进电机在输入脉冲200Hz左右时，处于振荡区容易损坏内部元器件，在2(X)F位以下运转速度慢、效率低，所以将350Hz作为脉冲低频起点，经测试，轻载时脉冲高频顶点可达到lOkHz，重载时脉冲高频顶点可达到6.6KHz

2.消除振荡的方法有阻尼法、多相励磁法、变频变压法、细分步法、反相阻尼法等。阻尼变化对低频振荡的影响可以看出，增大阻尼有利与振荡的衰减。低频振荡受升速频率的影响较小。降速过程的振荡小于升速过程的振荡，因此升速过程是引起振荡失步的主要环节

3.减小步进电机的步距角有利于提高步进电机的带负载能力。当电机和负载已经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动电源和控制方法。目前各种步进电机控制电路和方法很多，控制效果最好的应首推细分控制法，步进电机细分驱动可减少振动，提高步距精度。

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参 考 文 献

[1] 陈正宏，韩德源等.步进电机快速启停的一种新方法.电脑学习，1999,(3) [2] 王晓极，何捷.步进电机自动升降速及其单片机控制.微特电机，1998,(2) [3] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,1990 [4] 许大中.交流电机调速理论[M].杭州:浙江大学出版社，1991 [5] 车长征.PLC在步进电机位置控制中的应用.江苏电器，2002(4)

[6] 刘俊.两种PLC控制步进电机实现点位控制的比较与应用.上海高等电机技术专

科学校学报，2003 (3)

[7] 顾绳谷.电机及拖动基础.北京：机械工业出版社，1980 [8] 胡崇岳.现代交流调速技术.北京：机械工业出版社，,1998

[9] 常斗南，李全利，张学武.可编程控制器原理◎应用◎实验。北京：机械工业出

版社，1998.7

[10] 吴银庚，张彦斌。ENGLISH 4 上海交通大学科技外语系。北京：高等教育出版社.1981.9

[11] 戴文进，章卫国.Specialized English For Automation.武汉:：武汉理工大学出版社，2001.8

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英 文 资 料

The Position-Control System

The regulator, whose object is to maintain the value of some physical quantity at a fixed level in spite of disturbances, is an important example of a closed-loop system. Equally important and more challenging in engineering design is the servo-mechanism whose object is to follow input commands. An example of such a device is the motion applied to a handwheel located at a local command station. The output motion might be used to drive a heavy object (such as a missile launcher) into a required position; power amplification of the command and accurate reproduction are thus necessary.

The signals can be transmitted by direct mechanical linkage or by hydraulic, pneumatic, or electric conduit. Apart from mechanical linkage the most rapid transmission may be achieved with electrical connection and this is often but not always used. Where it is used, the mechanical input and output signals are first converted into proportional electrical signals and then transmitted through wires to a subtracting device which produces a signal proportional to the error.

The low-power error signal is used to drive an amplifier which also receives power from an external source and delivers controlled power to the room.

The combination of transducers and subtracting element from the error detector, the amplifier is the controller and the motor together with its gearbox from the output element.

The amplifier may be purely electrical if the motor is electrical but must be either electro-hydraulic or electro-pneumatic if the motor is either hydraulic or pneumatic.

It is emphasized that the object of the system is to make the relatable mass copy as nearly as possible the motion of the handwheel. Let us consider what will happen if the position of the handwheel is turned very rapidly through an angle i, the mass being initially at rest. Initially the mass has no velocity and the output position 0 is zero, thus a signal k i instantaneously appears at the terminals of the amplifier; power from the source is allowed to reach the motor which then begins to drive the mass so as reduce the error. As 0 approaches I the error gets smaller and thus less power is allowed to reach the motor. Systems are usually designed so that the mass just overshoots the required position; since 0 is then greater than I ,the error becomes negative and the motor forces the mass to stop and reverse direction. Some undershoots and further overshoots will then probably take place before the mass finally settles at the required position. Only when exact coincidence occurs does the amplifier receive zero signal and thus the motor is forced to move either one way or the other until all motion dies away. The motor can therefore only come to rest when the signal entering the amplifier is zero (i.e. when the output position is exactly equal to the command i) .

It becomes evident from the above discussion that unless very great care is taken in the design, it is quite possible that the oscillation about the desired position will build up instead of dying a away quickly. A system in which oscillations build up is said to be unstable and much of the design work in control engineering is associated with producing a stable system. Adequate stability is, of course, only one of several requirements. Another requirement is faithful reproduction of a variety of input signals. Another type of input command might consist of handwheel motion of constant velocity. The system would then respond with an oscillatory transient and the mass would finally settle down with a velocity equal to the command but with a position lagging the

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command by a small angle. The slight difference between input and output position would be of such magnitude as to produce an output torque from the motor sufficient to drive the mass at the required velocity against frictional torques. The error could not be zero otherwise the motor would stop and the error would then build up.

It is thus apparent that whilst the output 0 will automatically align itself with the command I under static Conditions, under dynamic conditions the output motion only approximates to that of the command. The closeness of the approximation can however usually be made as good as is necessary to overcome most physical problems; for example, in certain types of automatically controlled profile milling machines a tracking accuracy to 0.0001 inch has been achieved.

Another object of the position control system is that it must be capable of holding the output position equal to the command in the presence of severe load disturbances. For example, a launcher must remain pointing in the desired direction regardless of random gusts of wind.

Feed----The Action Correcting System

You have known for a long time that engineering education includes subjects like chemistry and physics and,

in fact you probably know a fair amount about these subjects. Beyond that, however, your picture of what engineers must know in order to create complex systems is probably not very clear. This will be remedied in part by an introduction to the important subject of feedback control systems. Control systems have extensive significance in economic and biological systems, as well as in engineered systems.

It is impossible, for example, to drive your automobile down the highway, take your hands off the wheel, and get very far without something exciting happening. This is so even on a straight stretch mainly because there are bumps and many other factors that force the car off course. What is needed is a means of detecting drift of the car toward either side and a way of correcting for that drift as soon as it is detected. The means for accomplishing this are familiar: your eyes enable you to decide what remedial action is called for; your arms and the steering mechanism are used to carry out those decisions. These parts of you and the automobile constitute what engineers call a feedback control system.

This is a familiar process, indeed. It is a feedback control system that enables you to catch a ball, learn any motor skill, and keep your body temperature close to constant. Even the simple act of reaching to the top corner of this page before turning it involves a rather elaborate control system. The human body contains a remarkable series of such systems.

There are several characteristics of feedback control systems worthy of special mention, one of which is the closed loop. By “closing the loop”, effect is connected with cause,, so that the cause-effect relationship is now one of interdependence. Of course, it is feedback that closes the loop. Feedback is information characterizing the actual situation, which the processor, the brain for example, compares with the intended state of affairs. The difference between intended and actual becomes the basis of corrective action.

Another feature worth noticing is the role of information throughout a feedback control system. The system must be given a desired condition (intended state of affairs, goal, set point). This is information. The processor

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converts information from one form into another, the effecter converts information into action; the sensor converts action into information. No wonder information is sometimes called the lifeblood of a control system. Feedback, which one-way communication like the printed page fails to provide, makes learning easy and, in the case of motor skills, is essential. Picture a blindfold dart thrower, who throws darts indefinitely and shows no improvement as long as he knows nothing about the effectiveness of his efforts.

位置控制系统

器的任务是在扰动条件下将某物理量的值维持在一个规定的范围内，因此它是一类重要且典

型的闭环系统。伺服机构的任务就是跟踪输入指令信号，在工程设计中，它与调节器具有同等的重要性并且更具有挑战性。

这种装置中的一个例子就是位置控制伺服机构，它必须将施加在当地指挥站里操纵轮上的运动在某个遥远的地方再现出来。输出运动可被用来将一个很重的物体（如导弹发射架）移动到一个期望的位置上，于是指令的功率放大与精确是必不可少的。

信号可以通过机械连接或通过液压导管，气动导管或电缆直接传诵。与机械连接不同，最迅速的传送方式是电连接，这是非常普遍的，尽管并不总是如此。当它被应用时，机械输入与输出信号首先被转换成一定比例的电信号，然后通过导线将其传送到比较装置上，比较装置会产生一个正比于误差的信号。

低功率的误差信号被送回到放大器，放大器从外部电源获得功率并将可控的功率传送到电动机。

传感器与比较器元件的组合构成了误差检测器，放大器就是控制器，电动机与它的变速箱构成了输出元件。

如果电动机是用电的，那么放大器可以是纯电的。若电动机是液压的或气动的，那么放大器必须是电-液的或电-气的。

需强调的是，这个系统的任务就是供可旋转的物体尽可能地复现操纵轮的运动。让我们考虑当物体一开始处于静止状态，操纵轮的位置被非常快的转动了一个角度 I后将会出现什么情况。该物体一开始处于没有速度并且输出位置 0是零，于是一个信号K I 立刻会出现在放大器的输入端上；放大器的输出被传送到电动机的功率也随着减少。所设计的系统通常是物体恰好超过所要求的位置；既然 0 此时比 I 大，误差变负，电动机使物体停止并且改变方向。在物体最终稳定在所要求的位置之前，可能会产生达到给定值或进一步超过给定值的现象。只有当完全一致时，放大器的输入才为零，电动机被迫朝一个方向或另一个方向转动直至所有的运动停止。因此只有放大器的输入信号为零时（即当输出位量全与指令一样时），电动机才会停止工作。

从上面的讨论我们可以知道，除非精心设计，否则相当有可能在期望位置附近振荡加剧而不是快速衰减。振荡加剧的系统是不稳定的，因此在控制过程中的许多设计工作都与产生一个稳定的系统有关。当然，适当的稳定性仅仅是几个要求中的一个。另一项要求是如实的复现各类输入信号。另一类输入指令可能由恒角速度的操纵轮构成。那么这个系统将具有振荡的瞬态响应，物体终会稳定在与指令相同的速度上，但是在位置上较输入有一个小的角度滞后。输入与输出位置

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之间的细微差别将具有这样的数量级，使得电机产生一个足以使物体克服摩擦力矩并以所需要的速度转动的输出力矩。误差不能为零，否则电动机将会停止并且新的误差又会重新产生。

因此很明显，在静止条件下当输出 0 自动地与指令 I 一致时，在电台条件下，输出运动只会靠近指令的运动。然而这个逼近程度通常相当高，足以克服许多物理问题。例如，某类型自动控制的仿行铣床的跟踪精度已达到0.0001英寸。

定位控制系统的另一项任务是在负载剧烈变化干扰下。它必须有能力保持输出位置与指令相等。例如，无论是否存在随机阵风，发射架必须要与期望方向保持一致。

反馈----行动校正系统

你早知道工程技术教育包括化学，物理这样的课程。事实上，你可能对这些课程已经了解得相当多了。不过除此之外，工程技术人员为了创造各种复杂的系统应该了解些什么，你也许并不是非常清楚。这一点，可以通过反馈控制系统这门重要课程的介绍得到部分的弥补。控制系统在经济体系和生物系中，同在工程系统中一样，具有广泛的意义。例如，当你在公路上驾驶一辆汽车，让双手离开方向盘。行驶的很远而不发生一些令人惊慌不安的事情，那是不可能的。甚至在一段笔直的道路上，这也是做不到的，因为颠簸和许多其他因素会迫使汽车偏离行车路线。为此需要有一种能测出汽车向两旁偏移的设备，以及一旦测出这种情况就能加以校正的方法。完成这个任务的仪器是大家所熟悉的：你的眼睛能使你察觉必须采取校正动作；你的大脑能使你决定需要采取什么样的补救动作；你的手臂以及驾驶机构可以用来执行这个决定。人体的这些部分和汽车就构成了工程师们所说的反馈控制系统。

的确，这样的过程你们是熟悉的。正是反馈控制系统使你能抓住一个球，学驾驶摩托车的技术，以及使你的体温接近恒定。甚至在你想翻过这一页书面而把手伸向书页上角这样一个简单的动作，也涉及到一个相当复杂的控制系统。人体就包含着一系列这样奇妙的系统。

在反馈控制系统中有几个特点值得专门提出来。其中之一就是闭合回路。通过“使回路闭合”，可以把结果和原因联系在一起。因此，原因和结果就成了相互依存的关系。当然，是反馈使得这个回路闭合起来。反馈是一种表示实际情况的信息；而处理机构，例如人脑，把这种信息和预定的状况进行比较。预定状况和实际情况之间的差异就成为校正动作基础。

另外一个值得指出的特点就是信息在整个反馈控制系统中的作用。必须给这个系统一个理想的条件（预定的状况，目标，给定值），这就是信息。信息处理机构把一种信息转换成另一种信息，而操纵装置则将信息转换成动作；传感器又将动作转换成信息。难怪信息有是称作控制系统的生命线。

反馈能使学习变的方便，而像印刷之类的单向信息传递就没有反馈。在学习驾驶摩托车时，反馈更必不可少。你可以想象一下，一个蒙住眼睛的标枪投手，只要对自己的努力所产生的效果一无所知，那他就是不断地投掷下去，成绩也不可能提高。

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之间的细微差别将具有这样的数量级，使得电机产生一个足以使物体克服摩擦力矩并以所需要的速度转动的输出力矩。误差不能为零，否则电动机将会停止并且新的误差又会重新产生。

因此很明显，在静止条件下当输出 0 自动地与指令 I 一致时，在电台条件下，输出运动只会靠近指令的运动。然而这个逼近程度通常相当高，足以克服许多物理问题。例如，某类型自动控制的仿行铣床的跟踪精度已达到0.0001英寸。

定位控制系统的另一项任务是在负载剧烈变化干扰下。它必须有能力保持输出位置与指令相等。例如，无论是否存在随机阵风，发射架必须要与期望方向保持一致。

反馈----行动校正系统

你早知道工程技术教育包括化学，物理这样的课程。事实上，你可能对这些课程已经了解得相当多了。不过除此之外，工程技术人员为了创造各种复杂的系统应该了解些什么，你也许并不是非常清楚。这一点，可以通过反馈控制系统这门重要课程的介绍得到部分的弥补。控制系统在经济体系和生物系中，同在工程系统中一样，具有广泛的意义。例如，当你在公路上驾驶一辆汽车，让双手离开方向盘。行驶的很远而不发生一些令人惊慌不安的事情，那是不可能的。甚至在一段笔直的道路上，这也是做不到的，因为颠簸和许多其他因素会迫使汽车偏离行车路线。为此需要有一种能测出汽车向两旁偏移的设备，以及一旦测出这种情况就能加以校正的方法。完成这个任务的仪器是大家所熟悉的：你的眼睛能使你察觉必须采取校正动作；你的大脑能使你决定需要采取什么样的补救动作；你的手臂以及驾驶机构可以用来执行这个决定。人体的这些部分和汽车就构成了工程师们所说的反馈控制系统。

的确，这样的过程你们是熟悉的。正是反馈控制系统使你能抓住一个球，学驾驶摩托车的技术，以及使你的体温接近恒定。甚至在你想翻过这一页书面而把手伸向书页上角这样一个简单的动作，也涉及到一个相当复杂的控制系统。人体就包含着一系列这样奇妙的系统。

在反馈控制系统中有几个特点值得专门提出来。其中之一就是闭合回路。通过“使回路闭合”，可以把结果和原因联系在一起。因此，原因和结果就成了相互依存的关系。当然，是反馈使得这个回路闭合起来。反馈是一种表示实际情况的信息；而处理机构，例如人脑，把这种信息和预定的状况进行比较。预定状况和实际情况之间的差异就成为校正动作基础。

另外一个值得指出的特点就是信息在整个反馈控制系统中的作用。必须给这个系统一个理想的条件（预定的状况，目标，给定值），这就是信息。信息处理机构把一种信息转换成另一种信息，而操纵装置则将信息转换成动作；传感器又将动作转换成信息。难怪信息有是称作控制系统的生命线。

反馈能使学习变的方便，而像印刷之类的单向信息传递就没有反馈。在学习驾驶摩托车时，反馈更必不可少。你可以想象一下，一个蒙住眼睛的标枪投手，只要对自己的努力所产生的效果一无所知，那他就是不断地投掷下去，成绩也不可能提高。

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