基于PLC控制步进电机的设计与仿真
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。
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。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
1. 概述
在电气信息时代的今天，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。
从近年的统计数据看，在世界范围内PLC产品的产量、销量、用量高居工业控制装置榜首，而且市场需求量一直以每年15%的比率上升。
PLC全称可编程控制器，是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微机处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，被公认为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD\CAM）之一。
PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要之外，主要是因为它具有很多独特的优点，较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、经济问题。PLC可靠性高，抗干扰能力强，其平均无故障时间可达几十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施；其次PLC编程简单、使用方便，目前大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言，梯形图与电器控制线路相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易被广大工程技术人员掌握；然后PLC功能完善、通用性强、设计安装简单、维护方便；最后，PLC采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，是实现机电一体化的理想控制设备。
因此，目前PLC已广泛的应用于冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各个行业。随着PLC性价比的不断提高，其应用领域还将不断扩大。为此本文主要研究基于PLC的步进电机控制系统[1]。
PLC对步进电机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。利用PLC控制步进电机,其脉冲分配可以由软件实现,也可由硬件组成。本控制系统的设计在简要介绍步进电机的工作原理和控制原则之后,对采用可编程控制器(PLC)对步进电机进行控制的设计方法进行了介绍。给出了控制系统的硬件、软件设计方法。
1.1 问题的提出
在当代社会，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、工业控制、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[2]。
目 录
摘 要 I
Abstract II
1. 概述 1
1.1 问题的提出 3
1.2 设计的目的及系统的功能 3
2. 步进电机简介 4
2.1 步进电机的原理分析 4
2.2 步进电机的特性 4
2.3 本设计所用步进电机 5
3. 系统设计 7
3.1 步进电机的控制分析 7
3.2 系统设计图 7
3.3 可编程控制器（PLC）的简介 8
3.3.1 PLC的特点 8
3.3.2 PLC的硬件结构 8
3.3.3 机型的选择 9
3.4 按键控制电路 11
3.5 步进电动机驱动电路 13
3.6 显示电路 18
3.7 步进电机控制系统图 20
4. 程序设计 21
4.1 PLC编程方案设计 21
4.2 梯形图的编程 22
4.3 启动停止控制环节 22
4.4 功能指令 23
5. 系统仿真 27
结束语 32
致谢 33
参考文献 34
附录 35
参考文献
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