基于S7-200PLC步进电机控制系统本科生毕业设计

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PLC 对步进电机也具有良好的控制能力，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，

即可实现对步进电机的控制。因此如何实现PLC控制步进电机的通用控制电路设计方法有着实际生产意义。

1.2 国内、外S7-200PLC现状和发展趋势

限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为

30~40％。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力

得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上

来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。

小型PLC从产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；如今的小型PLC在编程，I/O扩展，通讯接口，开关

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量和模拟量的调节以及一些特殊功能模块如高速计数输入和脉冲输出的应用上已经基本满足用户的需求了。但随着应用需求及关联产品技术性能的提升（如步进驱动的脉冲响应频率及精度，HMI及关联系统的通讯功能），PLC将继续得已完善和发展。

我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了

PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。可以预期，随着我国现代

化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

1.3 论文的主要研究工作

掌握步进电机的原理及其驱动方法，掌握西门子S7-200 PLC的原理与程序设计方法。掌握步进电机的电气控制试验系统的工作原理，基于该系统设计S7-200 PLC程序，实现主站PLC对步进电机的控制。

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第二章 步进电机

步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输人脉冲个数成正比，其速度与单位时间内输人的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。

2.1 步进电机的特点

步进电机的特点如下：

1）电动机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比；转向与通

电相序有关。当它转一周后，没有累积误差，具有良好的跟随性。

2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价又非常可靠。

同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。

3）步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。

4）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。 5）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。 6）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩。

7）步进电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以及直流电

源[]。

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2.2 步进电机的工作原理及分类

步进电动机或称脉冲电动机，是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。

步进电动机实际上是一个数字/角度转换器，也是一个串行的数/模转换器。输入一个电脉冲，电动机就转动一个固定的角度，称为“一步”，这个固定的角度称为步距角。步进电动机的运动状态是步进形式的，故称为“步进电动机”。

从步进电动机定子绕组所加的电源形式来看，与一般交流和直流电动机不同，既不是正弦波，也不是恒定直流，而是脉冲电压、电流，所以有时也称为脉冲电动机或电脉冲马达。

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2.2.1 步进电机的工作原理

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。

步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。

2.2.2 步进电机的分类

按其工作方式分为功率式和伺服式：功率式输出转矩较大，能直接带动较大的负载；伺服式输出转矩较小，只能带动较小的负载，对于大负载需通过液压放大元件来传动。

按结构分为单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。 按使用频率分为高频步进电动机和低频步进电动机。 按运动方式：旋转运动、直线运动、平面运动和滚切运动

按工作原理：反应式（磁阻式）、永磁式、永磁感应子式（混合式）。

1）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7.5度或15度。 2）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1.5度，但噪声

和振动都很大。

3）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

步进角一般分为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。

2.3 步进电机在工业中的应用

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一， 广泛应用在各种家电产品中，例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、机械手臂和录像机等。另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中。由于通过控制脉冲个数可以很方便的控制步进电机转过的角位移，且步进电机的误差不积累，可以达到准确定位的目的。还可以通过控制频率很方便的改变步进电机的转速和加速度，达到任意调速的目的，因此步进电机可以广泛的应用于各种开环控制系统中。

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