赵辉--基于PLC的步进电机的运动控制系统的设计（最终版）(1)

毕 业 论 文

题 目：

基于PLC的步进电机的运动控制系 统的设计 学 院： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师：

物理与电气信息工程学院 电气工程及其自动化

2011级2班 赵 辉 20110604083 蔡文霞

2015 年 4 月 16 日

基于PLC的步进电机的运动控制系统的设计

【摘要】在电气时代的今天，步进电机在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。在这里详细介绍了一个由两台互相垂直放置的步进电机组成的以PLC为核心的运动控制系统的设计方案。包括系统的总体设计思路、各功能模块的具体方案、处理器的程序编写以及PLC与组态王之间的数据传输。该系统能够实现对两台互相垂直放置的步进电机的转动方向和转动速度的控制。通过分别控制两台步进电机的转动方向和转动速度，使一个木块能够以可调的速度向前后左右四个方向移动。另外该系统还将组态王软件与PLC通过串口线进行了连接，实现了组态王与PLC之间的实时通信。利用组态王软件制作一个监控画面，并在监控画面上添加控制按钮,使其能够实时反映和控制该系统的运动状态。最终实现可以通过手动按键和点击组态王监控画面上按钮两种途径来控制该系统的运动状态的功能。 【关键词】步进电机；PLC；运动控制；组态王

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The Design Based on PLC of

Motion Control Systems of Stepping Motor

【Abstract】In today's age of electricity, stepper motor plays an very important role in the production and life of modernization.There introduces a design scheme about the motion control system of stepper motor.It consists of two stepper motor ,whitch vertically with each other.And the system with PLC as the controller. Studied the overall design，the concrete scheme of each module, the writing of the processor's program and the transfer of data between PLC and kingview.The system can realize the control of rotating direction and rotating speed of two stepper motor ,whitch vertically with each other.The system can make a block to move in four directions with an adjustable speed by each control of two stepper motor about rotation direction and rotation speed. In addition,this system connects the PLC and kingview through the serial port, achieving the the real-time data communication between PLC and kingview. By using kingview software to made a monitor screen and add control button on the monitor screen can reflect and control the motion system in real time. Finaly，It can achieve the function,which controls the motion system by manual button and clicking the button of monitor screen of kingview two ways .

【Key Words】Stepping motor; PLC; Motion control; kingview

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目 录

1 引言 ................................................................ 1 1.1 课题的研究背景 .................................................... 1 1.2 我国步进电机控制系统的发展现状 .................................... 1 2 总体方案设计 ........................................................ 1 2.1 设计思路 .......................................................... 1 2.2 各功能模块的简单介绍 .............................................. 2 3 系统的硬件设计 ...................................................... 3 3.1 步进电机模块 ...................................................... 3 3.1.1 步进电机的工作原理 .............................................. 3 3.1.2 步进电机型号及工作方式的选择 .................................... 4 3.2 可编程控制器（PLC）模块 ........................................... 5 3.2.1 PLC的选型 ....................................................... 5 3.2.2 I/O分配 ......................................................... 6 3.2.3 外部接线图 ...................................................... 6 3.3 硬件电路模块 ..................................................... 7 3.3.1 步进电机驱动电路的设计 ......................................... 7 3.3.2 转速显示电路的设计 .............................................. 8 3.3.3 键盘输入电路的设计 .............................................. 9 4 系统的软件设计 ..................................................... 10 4.1 PLC的程序编写 .................................................... 10 4.1.1 输入控制程序 .................................................. 10 4.1.2 脉冲产生及速度控制程序 ......................................... 11 4.1.3 步进电机的运行及其方向控制程序 ................................. 13 4.1.4 步进电机的选择性输出及转速显示程序 ............................. 14 4.2 组态软件模块 ..................................................... 15 4.2.1 新建工程 ....................................................... 15 4.2.2 硬件链接 ....................................................... 16 4.2.3 制作监控画面 ................................................... 17 4.2.4 定义变量 ....................................................... 18 4.2.5 动画连接 ....................................................... 19 5 系统调试 ........................................................... 23

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5.1 系统的软件调试 ................................................... 23 5.2 系统的硬件调试 ................................................... 24 结 论 ............................................................... 25 参考文献 ............................................................. 26 附录一 ............................................................... 27 附录二 ............................................................... 29

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1 引言

1.1 课题的研究背景

在当今这个日新月异的大时代背景下，社会正在不断地向着能够使人们的生活更加舒适的方向发展。从我们的身边随便找出一个事物，就能从中体会到社会在变化，时代在进步。而时代的发展始终离不开科技，其中离我们日常生活最近的一项技术就是步进电机系统控制技术。

无论是住宅楼的门禁系统，还是办公时用到的打印机，无论是日常出行时所乘坐地铁或公交的自动门，还是在大型购物商场中的自动扶梯，都用到了步进电机。并且在工业生产过程中用到步进电机控制系统的地方更是数不胜数。总之，步进电机及其控制系统已经进入了人们生活的方方面面，我们与步进电机已经密不可分。

以前只有在影视作品中才能见到的人性化智能家居以及智能化大型立体停车场，在步进电机控制系统日趋成熟的今天看来已经不再是难事。我也正是由于儿时对影视作品中的那些在当时看来遥不可及的智能产品充满了无限的向往，一直梦想有朝一日能够参与此类项目的设计与建设。因此决定做这个基于PLC的步进电机的运动控制系统课题的研究与设计。

1.2 我国步进电机控制系统的发展现状

步进电机及其控制技术的发展日趋成熟，已经应用到我们身边的各项产品。然而，我国对步进电机及其控制系统的研究成果并不是十分可观。尤其是在高精度步进电机控制系统方面的发展，更是远远落后于世界先进水平。

对于普通的步进电机控制系统，它的技术已经不再是秘密，可以说已经赶上了世界先进水平。它的效率已经发挥到了极致，未来即使对其投入再多的人力物力也不会有太大的发展空间。但是，对于高精度的步进电机控制系统的发展，我国的发展现状却是不容乐观。目前虽然有不少中小企业在生产高精度步进电机，但在技术上没有创新，大多处于仿制阶段。其关键技术被几个少数发达国家所垄断。我们要想打破这种局面，在高精度步进电机技术领域不再受制于人，就必须加大研究力度勇于创新，同时鼓励更多的技术人才投入到这项研究中来。因此，我认为对步进电机及其控制系统进行研究是非常有必要的。

2 总体方案设计

2.1 设计思路

本设计用到两台步进电机，一台纵向摆放，另一台横向摆放。通过步进电机的转动带动木块及木块上物体的移动，如图2-1所示。

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纵向电机固定在一个水平木板上，有一根螺丝杆和电机轴相连。螺丝杆穿过水平木板上放置的一个场木板。螺丝杆通过步进电机的传动，向正反方向旋转，可以带动长木板向前后两个方向纵向移动。

横向电机固定在可移动的长木板一端。同样，也有一只横向的螺丝杆与之轴相连，并穿过另一块放在可移动长木板上的木块。同理，横向螺丝杆也可以通过横向步进电机的传动带动木块向左右两个方向移动。

图2-1 设计模型示意图

通过PLC及其外部硬件电路来控制两台步进电机的正反转，使与之相连的木块能够向前后左右四个方向移动（如图2-1所示），通过控制步进电机的转速可以改变木块的移动速度，并且把木块的移动速度显示在一只七段数码管上。最后，利用Kingview组态王软件绘制系统监控画面。利用总线进行数据传输，实现PLC与组态王之间的实时通讯。以达到能够通过手动和利用组态王两种方式控制系统运动状态的目的。

2.2 各功能模块的简单介绍

整个系统设计包括硬件设计和软件设计两方面。硬件设计方面主要是步进电机模块、PLC模块和硬件电路模块的设计；软件设计方面就是组态软件模块和PLC的程序编写。

PLC模块是整个系统的核心模块，首先把控制指令输入PLC，由PLC内部程序进行变量运算，再把运算结果经输出端输出到硬件电路，最后再由硬件电路按照PLC的输出指令控制步进电机的转动和数码管的显示。同时，PLC不断向组态软件发出系统的运行状态信号，或从组态软件处接收控制指令。组态软件就相当于一个监控中心，把系统中的各个部件的运行状态以动画的形式直观地显示到电脑的监控画面上。并且，它还能作为一个简单的控制器来使用。

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3 系统的硬件设计

3.1 步进电机模块

3.1.1 步进电机的工作原理

步进电机的工作原理就是给步进电机中的每相线圈加上按一定的顺序循环切换的电流，通过电流的循环切换实现每一相线圈所产生的磁场的循环改变。每改变一次磁场，步进电机的转子就会因为受力不平衡，而发生某一特定角度的转动，直到再次受力平衡。这一角度称为步距角。送给线圈的电流由脉冲信号提供，不断地给步进电机的各相线圈加循环切换的脉冲信号。转子就会以一个步距角的角度为单位，不断地一步一步转动，步进电机就是因此而得名。

脉冲信号是由驱动装置产生的，本系统设计的驱动装置为PLC。因此，只要改变PLC输出的脉冲信号的切换方向，就会改变步进电机的转动方向；只要改变PLC输出的脉冲信号的切换频率，就会改变步进电机的转动速度。所以，步进电机的控制就是对给步进电机所加脉冲信号的切换顺序和切换频率的控制。

图3-1 某型号四相步进电机工作原理图

如图3-1所示为一种反应式四相步进电机的原理图。其中转子有六个齿称为转子齿，每相邻两个转子齿轴线之间的距离称为齿距，用符号て表示。图3-1所示状态为D相线圈通电时的状态。D相线圈与0号转子齿对齐，1号转子齿与A相线圈错开1/4て的距离；2号齿与B相线圈错开2/4て的距离；3号齿与C相线圈错开3/4て的距离。如此，4号齿刚好与D相线圈错开て的距离。转子每转动一个步距角，转子齿轴线所转动的距离就是1/4て。因此，图中所示型号四相步进电机的步距角为：360°/6/4=15°。

除了反应式步进电机外还有感应式步进电机。感应式步进电机与反应式不进电

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机结构不同，它的转子上装有永磁体。它可以更好地迎合定子线圈所产生磁场的变化，工作效率要比反应式步进电机高得多。但是，制作工序复杂成本高人们普遍使用的还是反应式步进电机。

3.1.2 步进电机型号及工作方式的选择

本运动控制系统的设计是基于PLC的运动控制。PLC的运算数据分为位运算、字节运算、字运算以及双子运算，每种运算数据分别为1位、8位、16位以及32位。为了方便控制器与步进电机的衔接，采用两台四相步进电机。用PLC输出端的QB0字节的低四位控制纵向摆放的步进电机，用高四位控制横向摆放的步进电机。

四相步进电机有三种工作方式，分别为单四拍（A→B→C→D→A）方式，双四拍（AB→BC→CD→DA→AB）方式和单、双八拍（A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A）方式。如图3-2所示为这三种工作方式的驱动脉冲时序图。

图3-2 四相步进电机驱动脉冲信号时序图

（a）为单四拍方式；（b）为双四拍方式；（c）为单、双八拍方式。

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如图3-1所示，当步进电机工作在单四拍方式时。若A相线圈通电则1号转子齿与线圈对齐，切换到B相通电时则2号转子齿与B相线圈对齐。此切换过程中转子所转过的角度为一个步距角，如此不断地切换ABCD四相线圈的通电状态使步进电机转起来。但工作在这种工作方式的步进电机转子由一个位置转到另一个位置时，会因为转子所受磁场力的改变，由一个平衡切换为不平衡在经过转动去达到另一个平衡。在这个过程中会产生振荡，因此单四拍工作方式稳定性不高。

为了克服步进电机在转动时所产生的振荡，可以采用双四拍的工作方式。在步进电机工作在双四拍工作方式时，每一时刻不是只接通一相线圈而是两项。在步进电机转子从一个位置转动到下一个位置时，总有一相线圈是一直保持接通状态的。例如，当步进电机从AB相接通切换到BC相接通时，C相线圈和工作在单四拍方式时作用一样，使转子按规定方向转动。而B相线圈所起的作用却是阻止转子发生转动，就是通过这个阻止转子转动的力克服转子在转动时所产生的振荡。这一作用被称为电磁阻尼作用。所以双四拍工作方式要比单四拍工作方式更稳定。

另外，单、双八拍工作方式也具有电磁阻尼作用，并且每一相线圈的持续通电时间更长，步距角是单四拍方式和双四拍方式的二分之一。因此，步进电机工作在单、双八拍工作方时平稳性能更好。

本次步进电机的运动控制系统的设计采用单、双八拍的工作方式。 步进电机的步距角?se可通过下面公式计算：

?se?360?步进电机相数?步进电机转子齿数?通电状态系数

其中：单拍或双拍工作方式时通电状态系数为1； 单、双混合工作方式时通电状态系数为2。

3.2 可编程控制器（PLC）模块

3.2.1 PLC的选型

由该系统的功能可知需要有五个方向控制键分别控制木块的向前、向后、向左、向右和停止五种运动状态。另外需要两个速度控制键控制步进电机的加速和减速。共七个输入端。

该系统的控制对象是两台步进电机，每台步进电机的每一相都需要一个输出端来提供信号。本设计计划采用四相步进电机作为控制对象，需要有八个输出端来控制步进电机。另外为了更直观地了解步进电机的运行速度，我们可以加入一个七段LED数码管来显示速度的档位。因此，总共有十五个输出端。由于需要7个输入端和15个输出端，所以若选用14输入/10继电器输出的CPU224作为主机不能满足本

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设计的要求。因此，选用24输入/16继电器输出的CPU226为主机。 3.2.2 I/O分配

为了控制方便和编程简单，选取I0.0～I0.6七个输入端接七个控制按钮；选取Q0.0～Q0.3四个输出端控制纵向摆放的步进电机；选取Q0.4～Q0.7四个输出端控制横向摆放的步进电机；选取Q1.0～Q1.6七个输出端控制一个七段数码管作为速度显示器。如表3-1所示。

表3-1 PLC 的I/O分配表

输 入 输入原件 SB0 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 输 出 功 能 向前移动 向后移动 向左移动 向右移动 停止移动 速度增大 速度减小 输出继电器 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0~Q1.6 控制对象 纵向步进电机A相 纵向步进电机B相 纵向步进电机C相 纵向步进电机D相 横向步进电机A相 横向步进电机B相 横向步进电机C相 横向步进电机D相 数码管a~g七段显示 输入继电器 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 3.2.3 外部接线图

根据以上所说的输入/输出分配方式，画出PLC的外部接线图。如图3-3所示。

图3-3 PLC的外部接线图

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3.3 硬件电路模块

3.3.1 步进电机驱动电路的设计

两台四相步进电机共8个线圈，采用一只有8个输出端的ULN2803晶体管驱动器来驱动。因为ULN2803由8个达林顿管组成，具有高耐压、输出电流大等优点，其输出电流和输出电压分别能达到500mA和50V。ULN2803的ULN2803的引脚图如图3-4所示。图3-5为ULN2803内部1/8单元的电路原理图。另外，由于ULN2803为反向输出型元件，因此当输入为高电平时输出为低电平。

图3-4 ULN2803及达林顿管的电路原理图

图3-5 ULN2803内部1/8单元电路原理图

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然而，ULN2803只能接受＋5V输入信号，难以承受PLC输出信号的＋24V电压。采用两只可以承受±30V的MC1489转换器把＋24V信号转换为TTL电平信号。其内部电路原理如图3-6所示。

图3-6 MC1489的内部电路原理图

又因为MC1489需要＋5V供电，所以需要用一只线性稳压器78L05把供电电压稳定在＋5V。整个驱动电路的原理图如图3-7所示。

图3-7 步进电机驱动电路设计图

3.3.2 转速显示电路的设计

本次设计中对步进电机的转速设计有从低到高1～5五个档位，用一只0.56英寸红色共阴LED七段数码管显示出来。七段数码管引脚连接顺序如图3-8所示。

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图3-8 七段数码管引脚连接图

数码管每段的工作电压为2.2V～2.6V,工作电流为10mA左右。采用限流的方式算出七段数码管需要串联的电阻的大小，计算过程如下。

24V?(2.2V~2.6V)R??2140?~2180?

10mA结合实际情况七段数码管每段选用阻值为2.2K的电阻串联。 3.3.3 键盘输入电路的设计

该系统的控制输入电路由前、后、左、右及速度加和速度减七个按键组成。本次设计采用的是7个12×12×5mm轻触型按键。硬件电路设计如图3-9所示。

图3-9 键盘电路设计图（电路板背面）

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4 系统的软件设计

4.1 PLC的程序编写

4.1.1 输入控制程序

该系统有前、后、左、右、停、加速、减速七个输入控制信号分别从PLC的I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5、I0.6七个输入端子输入。为了使控制程序编写思路清晰和与组态王之间的通讯方便引入中间变量M0.0、M0.1、M0.2、M0.3、M0.4、M0.5、M0.6,分别对应输入端的I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5、I0.6。输入程序如图4-1所示。

图4-1 输入程序

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为了进一步对整个系统中各个输出部件的控制条理清晰，引入中间变量M1.0、M1.1、M1.2、M1.3对输入程序进行整合。程序如图4-2所示。

图4-2 输入控制整合程序

经过对程序的整合，使后续的编程工作更加方便。在后续程序中，如果想要步进电机正转只需使常开的中间变量M1.0闭合即可，同理反转只需闭合M1.1；如果想要纵向步进电机转动横向步进电机停止只需使常开的中间变量M1.2闭合即可。同理横向步进电机转动，纵向步进电机停止只需闭合M1.3。 4.1.2 脉冲产生及速度控制程序

步进电机的运行速度由脉冲信号决定，脉冲信号频率越高步进电机运行速度越快。本系统设计的脉冲信号由两个精度为100ms的定时器T37和T38产生，定时器的预置值TP用一个指针变量*AC1给出。脉冲信号的产生程序如图4-3所示。

设定*AC1的值可以在整数1和5之间变动，初始值为5。并且当中间变量M0.5置1时*AC1减1，当中间变量M0.6置1时*AC1加1。*AC1的值用存储器VW10和VW100进行运算得出。首先，使VW10和VW100同时赋值为5。其次，按下I0.5时M0.5置1，VW10在满足大于1的情况下把VW10减1的运算结果送给VW100。然后，松开I0.5时M0.5清零，再把VW100中的值传回VW10；同理，按下I0.6时M0.6置1，VW10在满足小于5的情况下把VW10加1的运算结果送给VW100。然后，松开I0.6时M0.6清零，再把VW100中的值传回VW10。最后，把VW10中的数据传送到指针变量*AC1中。速度控制程序如图4-4所示。

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图4-3 脉冲信号的产生程序

图4-4 速度控制程序

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4.1.3 步进电机的运行及其方向控制程序

四相步进电机以单、双八拍工作方式运行时，A、B、C、D四相线圈总共有八个通电状态。选取一个字节的中间变量MB2作为八个状态的控制器，每一位分别控制一个状态，如表4-1所示。

表4-1 步进电机四相线圈通电状态表

状 态 圈 A相 B相 C相 D相 控制器 状态1 状态2 状态3 状态4 状态5 状态6 状态7 状态8 DA √ √ M0.0 A √ M0.1 AB √ √ M0.2 B √ M0.3 BC √ √ M0.4 C √ M0.5 CD √ √ M0.6 D √ M0.7 线 设定初始状态为状态1。此时MB2中只有M0.0为高电平，因此MB2值为01H。之后，若步进电机正转则每接收一个脉冲信号四相线圈向下循环变动一个状态，每变动一个状态需要MB2循环左移一位；若步进电机反转则四相线圈向前循环变动一个状态，每变动一个状态需要MB2循环右移一位。

由前面输入控制整合程序可知，当M1.2置1时步进电机正转，当M1.3置1时步进电机反转。因此，在编写步进电机运行方向控制程序时应满足当M1.2置1且接收到脉冲信号时MB2循环左移一位，当M1.3置1且接收到脉冲信号时MB2循环右移一位。脉冲信号由时间继电器T37提供。为了满足以上要求，引入中间变量MB3。初始状态时给MB2和MB3同时赋值01H，当T37为高电平时把MB2向左（或向右）循环移动一位的值送给MB3，当T37恢复低电平时再把MB3中的值传回MB2。状态控制器的移位程序如图4-5所示。

图4-5 状态控制器的移位程序

本系统设计两台步进电机的正反转是由同一段程序控制的，将两台步进电机共

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八相线圈的导通信号暂时储存在寄存器VB200中。VB200低四位作为纵向电机的控制信号，高四位作为横向电机的控制信号，并且低四位与高四位完全相同。每个状态两台步进电机线圈通电信号设定程序如图4-6所示。

图4-6 两台步进电机线圈通电信号设定程序

4.1.4 步进电机的选择性输出及转速显示程序

由前面输入控制整合程序可知，当M1.0置1时纵向步进电机转动，当M1.1置1时横向步进电机转动。又由前面两台步进电机线圈通电信号设定程序可知，两台步进电机共八相线圈的导通信号暂时分别储存在寄存器VB200的低四位和高四位中。因此，为了满足控制要求，当使纵向步进电机转动时需要把VB200的高四位清零后的值传送到QB0；当使横向步进电机转动时需要把VB200的低四位清零后的值传送

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到QB0。这样就完成了两台步进电机的选择性输出，其程序如图4-7所示。

图4-7 两台步进电机的选择性输出程序

由前面步进电机转速控制程序可知，随着步进电机转速逐渐增加VW10中的数据从5减到1。而要显示的速度档位号是由1逐渐增到5。因此，需要引入一个减法运算，把整数6减去VW10之后的值经过一个七段显示译码指令输出到QB1，用七段数码管显示出来即可。但七段显示译码指令输入数据只能是字节型数据，所以把6与VW10只差存入VW20，VW20包括VB20和VB21。由于VW20中数据小于256，存储在VB21中，所以把VB21中的数据作为七段显示译码指令输入数据。程序如图4-8所示。

图4-8 转速显示程序

最后，系统停止程序。把输出端全部清零即可，程序如图4-9所示。

图4-9 系统停止程序。

4.2 组态软件模块

4.2.1 新建工程

打开组态王6.53，点击新建图标“

”进入新建工程之一对话框；点击“下一

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步”按钮，进入新建工程之二对话框；浏览选择创建工程路径，点击“下一步”按钮，进入新建工程之三对话框；填写新建工程名为“基于PLC的步进电机的运动控制系统”；点击完成按钮，工程管理器界面如图4-10所示。

图4-10 工程管理器界面

4.2.2 硬件链接

双击所新建工程进入工程浏览器界面如图4-11所示。

图4-11 工程浏览器器界面

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选中工程目录显示区的“设备”，双击工程内容显示区的新建图标“如图4-12所示的对话框。

”弹出

选中PLC中西门子目录下的S7-200系列中的PPI，点击下一步并给所要安装的设备制定一个逻辑名称“运动控制器”；选择COM1串口，点击下一步，地址设为2点击下一步按钮，检查所设定信息无误后点击完成按钮。

最后，双击工程目录显示区的“COM1”，设置通信波特率通信方式等内容，此处使用默认值即可。

图4-12 设备配置向导界面

4.2.3 制作监控画面

在工程浏览器界面工程目录区单击“画面”，然后点击工程内容显示区的新建图标“所示。

然后在开发系统中编辑监控画面。先画出一个水平木板，在其上面添加一个轴上连有一根螺丝杆的步进电动机，把它们合成组合图素。再在水平木板之上的合适位置画上一个长木板，在长木板上添加一台与前一台垂直放置的轴上也连有一根螺丝杆的步进电机，把它们与长木板合成组合图素。再在长木板上的合适位置画一个木块。最后，在界面右下角添加七个控制按钮，监控画面就基本完成了，其效果图如图4-14所示。

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”，进入开发系统界面和新画面对话框，定义画面名称为步进电机，如图4-13

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图4-13 新画面对话框

图4-14 监控画面效果图

4.2.4 定义变量

本系统设计中组态王和PLC之间的通讯变量有前移按钮（I0.0）、后移按钮（I0.1）、左移按钮（I0.2）、右移按钮（I0.3）、停止移按钮（I0.4）、加速按钮（I0.5）和减速按钮（I0.6）共七个I/O离散变量。为了系统中控制方便，引入中间变量M0.0、M0.1、M0.2、M0.3、M0.4、M0.5、M0.6。另外还有“纵向移动”、“横向移动”、“木块下横向移动”及“速度”四个内存实型变量。

首先定义前移按钮变量。点击工程目录显示区的“数据词典”，然后双击新建图标“

”，弹出定义变量对话框如图4-15所示。变量名设为“前”，变量类型“I/O

离散”，连接设备“PLC”，寄存器“M0.0”，数据类型“bit” ，属性“读写”。采集频率设定为100ms。单击“确定”按钮完成前移按钮变量的定义。以同样的方法完成剩余六个按钮变量的定义。

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图4-15 定义变量对话框

接下来定义“纵向移动”、“横向移动”、“木块下横向移动” 及“速度”四个内存实型变量。由实际情况确定三个变量的各参数（即：初始值、最小值和最大值）分别为：“纵向移动”（50、0、100）、“横向移动”（80、0、130）、“木块下横向移动”（35、0、70）、“速度”（1、1、5）。 4.2.5 动画连接

在前面制作监控画面的过程中，已经把监控画面的主要部分整合成了三个组合图素。本次设计需要对含有长木板和木块的两个图素及七个控制按钮还有一个数据显示区进行动画连接。

首先，对七个按钮进行动画连接。在开发系统中双击前一按钮进入动画连接对话框，如图4-16所示。

图4-16 动画连接对话框

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命令语言选择“弹起时”，点击按钮进入命令语言对话框，如图4-17所示。按图中所示编辑命令语言，点击确认按钮完成前一按钮的动画连接。

图4-17 动画连接命令语言编写对话框

接下来以同样的方法完成剩余六个控制按钮的动画连接，只是命令语言需要稍作修改。各控制按钮命令语言如表4-2所示。

表4-2 各控制按钮动画连接命令语言

按钮 前移 后移 左移 右移 停止 加速 减速 命令语言 \\\\本站点\\前=1;\\\\本站点\\后=0;\\\\本站点\\左=0;\\\\本站点\\右=0;\\\\本站点\\停=0; \\\\本站点\\前=0;\\\\本站点\\后=1;\\\\本站点\\左=0;\\\\本站点\\右=0;\\\\本站点\\停=0; \\\\本站点\\前=0;\\\\本站点\\后=0;\\\\本站点\\左=1;\\\\本站点\\右=0;\\\\本站点\\停=0; \\\\本站点\\前=0;\\\\本站点\\后=0;\\\\本站点\\左=0;\\\\本站点\\右=1;\\\\本站点\\停=0; \\\\本站点\\前=0;\\\\本站点\\后=0;\\\\本站点\\左=0;\\\\本站点\\右=0;\\\\本站点\\停=1; \\\\本站点\\速度=\\\\本站点\\速度+1; \\\\本站点\\速度=\\\\本站点\\速度-1; 然后，对两个组合图素进行动画连接，这也是动画连接部分的核心内容。因为，要在组态王界面的平面上展现出木板和木块在三维立体空间内的运动状态。当被控对象在左右方向上移动时，比较简单只需要设置一个水平移动连接即可；当被控对象需要在前后方向上移动时，为了使移动效果有立体感，需要使画面在水平和垂直

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两个方向上同时移动。

并且，当左右移动时只移动含有木块的组合图素；当前后移动时，需要含有木块的组合图素和含有长木板的组合图素同时移动。因此，要对两个组合图素分别进行控制。

双击含有长木板的组合图素进入动画连接对话框，选择水平移动和垂直移动，其参数按图4-18所示进行设定。

图4-18 含有长木板的组合图素移动参数设定

同样，双击含有木块的组合图素进入动画连接对话框，选择水平移动和垂直移动，其参数按图4-19所示进行设定。

图4-19 含有木块的组合图素移动参数设定

接下来，速度档位数据显示的动画连接。双击数据显示区域，进入动画连接对话框，选择模拟值输出，其参数即表达式按图4-20所示进行设定。

图4-20 速度档位数据显示动画连接参数设定

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最后，设置画面属性命令语言。在开发系统界面空白处右击鼠标出现下拉菜单点击画面属性选项进入如图4-21所示命令语言对话框。按图中所示编辑命令语言。

图4-21 画面属性命令语言对话框

在开发系统界面中点击文件下拉菜单中的全部存，然后点击文件下拉菜单中的View选项，转入系统运行状态。在设置好组态王与PLC之间的通讯参数前提下，把所编写的PLC程序载入PLC中。然后开启“RUN”模式，便实现了组态王与PLC之间的实时通讯，完成了本系统的设计内容。

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5 系统调试

5.1 系统的软件调试

系统的软件调试主要就是PLC程序的调试，可以借助PLC仿真软件来完成这项工作。首先，将已经编写好的PLC程序通过STEP7 Micro WINV 4.0编程软件导出格式为“*.awl”的文本文件，命名为“基于PLC的步进电机.awl”。

其次，打开西门子PLC仿真器并双击PLC主机模块，如图5-1所示选择主机型号为“CPU226”。

图5-1 选择PLC仿真主机型号界面

然后，点击装载程序按钮“仿真器。

最后，点击运行按钮“

”，把“步进电机运动控制.awl”文件装载到PLC

”，仿真器进入运行状态。此时可以通过点击界面上

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的输入按钮，依次检查PLC的各输出信号是否按照预想的方式随输入信号的变化而做出相应的状态改变。同时还可以点击查看菜单下的“内存监视” 选项，查看程序运行过程中所用到的任意变量数据的实时状态。例：如图5-2所示为正在以二进制的形式查看MB0和MB1的数据变化情况。

图5-2 以二进制的形式查看MB0和MB1的数据实时变化情况的界面。

通过对PLC的各输出端和中间变量数据的检查，分析PLC的工作状态，判断PLC是否正常工作。若能正常工作则说明程序没有错误，不需要进行调试。若不能正常工作则说明程序中有错误，需要对程序进行仔细的梳理分析，找出错误之处并改正。经过调试后重复以上的仿真模拟的过程，直到错误完全消失。

5.2 系统的硬件调试

系统的硬件调试主要就是PLC与组态王之间的数据通信的调试，这也是硬件调试过程中最重要的一个环节。打开组态王监控画面，检查PLC的COM口选择是否与组态王监控画面制作时设置的一致。双击工程目录显示区的“COM1”，查看通信波特率设置是否与所使用的PLC相匹配。所有数据调整完毕后，把组态王和PLC都设置到运行状态，看PLC与组态王之间的互相通信是否顺畅。如果不顺畅，检查串口总线哪里接触不好，并重新连接插头，直到数据信号传输通畅为止。

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结 论

本次毕业设计对我来说，可以算得上是收获良多。无论是从一开始的总体规划到找准切入点进行制作，还是从每一个功能模块的程序编写到最后的整体调试无误，其中每一个环节都需要全方位考虑。编程时需要考虑到是否对其他模块造成影响，如果有影响应该怎样解决。同时又需要给后续功能的制作留下方便介入的切入点。

在整个设计过程中主要用到了步进电机的工作原理、PLC使用方法及组态王软件的应用等有关知识。这些原理知识课本上都有，但是想要把它们系统地互相关联起来，做出一个完整的控制系统却不是那么容易的。在制作过程中碰到了很多意想不到的问题，在很多时候都是只有一方面没有考虑到整个程序就无法运行。虽然遇到了这么多的困难，但我通过上网查资料、和同学互相讨论以及向老师们请教等途径把它们一个一个都解决了。每通过自己的努力解决一个难题，自己的心中就会增添一丝成功的喜悦。

总之，经过本次毕业设计让我学到了很多从课本上难以学到的东西。有专业知识方面的，有设计思路方面的，最重要的还是学会了怎样去解决问题。不久以后我就要走出校门步入工作行列了，以后将有更多的机会让我学习和完成类似或更专业的设计工作。在以后的学习和工作中，我将继续努力提高并完善自身的能力和素质，努力使自己成为一个合格的技术人才。

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基于PLC的步进电机的运动控制系统的设计

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附录一

系统的总体框图：

开始 两电机停止；数码管不显数 有无方向键按下 Y 按下 SB4 按下 SB3 按下 SB2 按下 SB1 N 按下 SB0 电机是否转动 Y N 纵向电机停止 横向电机反转 纵向电机停止 横向电机正转 横向电机停止 纵向电机反转 横向电机停止 纵向电机正转 数码管是否显数 N 数码管显示1 Y 有无速度键按下 Y 按下SB6 按下SB5 N N 数码管显数>1 Y 数码管显数—1 数码管显数<5 Y 数码管显数+1 N 附图1 系统的控制流程图

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数码管 P L C 硬件电路 步进电机 指令输入组 态 王 监视画面 附图2 系统的方框图

基于PLC的步进电机的运动控制系统 硬件电路模块 步进电机模块 组态软件模块 PLC模块 附图3 系统的功能模块图

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附录二

PLC程序语句表： 网络 1 LD I0.0 O M0.0 AN I0.1 AN I0.2 AN I0.3 AN I0.4 = M0.0 网络 2 LD I0.1 O M0.1 AN I0.0 AN I0.2 AN I0.3 AN I0.4 = M0.1 网络 3 LD I0.2 O M0.2 AN I0.0 AN I0.1 AN I0.3 AN I0.4 = M0.2 网络 4 LD I0.3 O M0.3 AN I0.0 AN I0.1 AN I0.2 AN I0.4 = M0.3 网络 5 LD I0.4 O M0.4 AN M0.0 AN M0.1 AN M0.2 AN M0.3 = M0.4

网络 6 LD I0.5 = M0.5 网络 7 LD I0.6 = M0.6 网络 8

LD M0.0 O M0.1 = M1.0 网络 9

LD M0.2 O M0.3 = M1.1 网络 10 LD M0.0 O M0.2 = M1.2 网络 11

LD M0.1 O M0.3 = M1.3 网络 12

LD SM0.1 O M0.4

MOVW 5, VW10 MOVW 5, VW100 网络 13

LDW> VW10, 1 A M0.5

MOVW VW10, VW100 DECW VW100 网络 14

LDW< VW10, 5 A M0.6

MOVW VW10, VW100 INCW VW100 网络 15

LDN M0.5 AN M0.6

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基于PLC的步进电机的运动控制系统的设计

AN M0.4

MOVW VW100, VW10 网络 16

LD SM0.0

MOVW VW10, *AC1 网络 17

LDN M0.4 AN T38

TON T37, *AC1 网络 18 LD T37

TON T38, *AC1 网络 19

LD SM0.1 MOVB 1, MB2 网络 20 LDN T37

MOVB MB2, MB3 网络 21 LD M1.2 A T37

MOVB MB3, MB2 RLB MB2, 1 网络 22 LD M1.3 A T37

MOVB MB3, MB2 RRB MB2, 1 网络 23

// DA相线圈通电 LD M2.0

MOVB 16#99, VB200 网络 24

// A相线圈通电 LD M2.1

MOVB 16#11, VB200 网络 25

// AB相线圈通电 LD M2.2 MOVB 16#33, VB200 网络 26

// B相线圈通电 LD M2.3

MOVB 16#22, VB200 网络 27

// BC相线圈通电 LD M2.4

MOVB 16#66, VB200 网络 28

// C相线圈通电 LD M2.5

MOVB 16#44, VB200 网络 29

// CD相线圈通电 LD M2.6

MOVB 16#CC, VB200 网络 30

// D相线圈通电 LD M2.7

MOVB 16#88, VB200 网络 31 LD M1.0

MOVB VB200, QB0 ANDB 16#0F, QB0 网络 32 LD M1.1

MOVB VB200, QB0 ANDB 16#F0, QB0 网络 33

LD SM0.0

MOVW +6, VW20 -I VW10, VW20 网络 34

LDN M0.4

SEG VB21, QB1 网络 35 LD M0.4 MOVW 0, QW0

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致 谢

本毕业设计及毕业论文是在我的指导老师蔡文霞老师的悉心指导下完成的。无论是从毕业设计的课题选择、确定思路到实物制作，还是从毕业论文的提纲制定、中期修改到后期格式调整，在整个工作的每个阶段蔡老师都给予了我很大的帮助。我在此向蔡老师表示深深的感谢！同时，也要感谢我的各位科任老师，当我遇到一些不懂的问题时，主动向各科任老师请教。各位老师平时都很忙，但是无论有多忙他们都会停下手头上的工作细心地为我讲解。还要感谢刘静杰、刘钧猛等我的同学们，在遇到困难时我们经常坐在一起讨论问题解决问题。

在各位老师及同学们的帮助下，我的毕业设计才得以顺利完成。最后，再一次向在毕业设计完成过程中向我提供帮助的每一个人致以最诚挚的感谢！

赵 辉 2015年4月16日

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/s9hw.html