第二章 方案论证比较设计
2.1PLC技术的发展概述
可编程控制器(简称 PLC) 是种数字运算操作的电子系统 ,是在20 世纪 60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器 ,其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令 ,并通过数字的、模拟的输入和输出 ,控各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备 ,都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。PLC 自产生至今只有 30 多年的历史 ,却得到了迅速发展和广泛应用 ,成为当代工业自动化的主要支柱之一。 产生和发展过程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应 ,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求 ,迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，
1、中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
2、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
2.2PLC技术在步进电机控制中的发展状况
随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小。对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器, 减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起, 这样使其能方便地组成一个闭环系统, 因而具有更加优越的控制性。向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。
目前利用可编程序控制器（即 P L C 技术）可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现。
用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，现对步进电机的控制。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件,每当对其施加一个电脉冲时,其输出轴便转过一个固定的角度。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比,其转速与单位时间内输入的脉冲数(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。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序,便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。PLC直接控制步进电机系统由PLC和步进电机组成,PLC具有实时刷新技术,输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高,使得脉冲分配能有很高的分配速度,充分利用步进电机的速度响应能力,提高整个系统的快速性。并且,PLC有采用大功率晶体管的输出端口,能够满足步进电机各相绕组数10V级脉冲电压、1A级脉冲电流的驱动要求。
有以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出：
控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子PLC本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为10KHz，能够满足步进电动机的要求，与硬件连接相比对于环形脉冲分配器和功率放大器的功能则对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC最好是具有实时刷新技术的PLC,使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使环形脉冲分配能有较高的分配速度,充分利用步进电机的速度响应能力,提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管,以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。如下图所示
图2-1 步进电机的PLC直接控制
2.3步进电机的发展状况
步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。在经历了一个大的发展阶段后, 目前其发展趋于平缓。然而, 由于步进电动机的工作原理和其它电动机有很大的差别, 具有其它电动机所没有的特性。因此,沿着小型、高效、低价的方向发展。
步进电动机由此而得名。步进电动机的运行是在专用的脉冲电源供电下进行的, 其转子走过的步数, 或者说转子的角位移量, 与输入脉冲数严格成正比。另外, 步进电动机动态响应快, 控制性能好, 只要改变输入脉冲的顺序, 就能方便地改变其旋转方向。这些特点使得步进电动机与其它电动机有很大的差别。因此, 步进电动机的上述特点, 使得由它和驱动控制器组成的开环数控系统, 既具有较高的控制精度,良好的控制性能, 又能稳定可靠地工作。因此, 在数字控制系统出现之初, 步进电动机经历过一个大的发展阶段。
电动机其角位移与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可以调节电动机的转速。工作方式最常见的有:
(1)、三相单三拍工作方式：
各相的通电顺序为A →B → C,各相通电的电压波形如下图所示：
第三章 步进电机工作方式的选择
3.1常见的步进电机的工作方式
常见的步进电机的工作方式有以下三种：
（1）、三相单三拍：A->B->C->A：
按以上顺序通电，步进电机正转，按相反方向通电，步进电机反转。这三种方式的主要区别是:电机绕组的通电、放电时间不同。工作方式是单三拍时通电时间最短，双三拍时允许放电时间最短，六拍时通电时间和放电时间最长。因此，同一脉冲频率时，六拍的工作方式出力最大。而且，电机是三拍的工作方式时，其分辨率为3度，六拍的工作方式时，分辨率是1.5度。所以，在本课题中，我们采用三相六拍的工作方式，在这种控制方式下工作，步进电机的运行特性好，步进电机分辨率最高。
第四章 S7—200直接控制步进电机硬件设计
4.1s7—200的介绍
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。
1、中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可*性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
2、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
PLC常用的存储器类型：
（1）、RAM这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。
（2）、EPROM这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。
（3）、EEPROM这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。
3、空间的分配：
虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：
（1）系统程序存储区
（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）
（3）用户程序存储区系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。
系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。
（1）、I/O映象区：由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit）。因此整个I/O映象区可看作两个部分组成：开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。
（2）、系统软设备存储区 ：除了I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失。
S7-200编程控制器是西门子公司1995年底推出的新一代微型PLC，由干其性能价格比较高，目前己经在各个领域得到广泛应用。根据其性能S7-200系列可编程控制器可以分5个基本机型:CPU210, CPU212,CPU214, CPU215和CPU216，共有18种不同型号的CPU;也可以分成两个档次:CPU210,CPU212为低成本的，具有小型PL C的一般功能;CPU214及以上为高性能档次，在一般小型PLC的基础上加上集成功能，使其性能超出一般的PLC。
S7-200硬件是以固定结构的基本单儿为主，并可选用开关量、模拟量等扩展单儿通过总线联接器组成的系统，与S7-200配合使用的硬件还有：编程器、操作面板、IBM PC兼容机等，其基本组成示例如下图。5个基本机型的最大配置分别为:6 I/4 O, 40 I/38 O, 62 I/58 O, 62 I/58 O, 64 I/64 I，模拟量最大16路。S7-200系列PLC硬件的组成形式、连接方式与其它品牌的PLC基本相似。但是，在下面几个方面，其硬件很有特点，为使用者提供了不同的需求。
图4-1 S7-200系列PLC硬件的组成形式
第五章 控制系统的软件设计
PLC控制步进电机的程序编制
步进电机控制程序设计的主要问题有三个:
第一，控制脉冲的产生;
第二，步进电机的旋转方向和时序脉冲的关系;
第三，步数的确定。
作为PLC控制步进电机的程序的构成也是主要由这几个问题，因此可以 从这三个问题入手。
5.1控制脉冲的产生
在PLC控制步进电机时，一般来讲，控制脉冲是用软件产生的。方法是先输出一个高电平，然后延时，再输出低电平，再进行延时。延时时间的长短由步进电机的频率决定，时序脉冲产生的延时控制框图如图。
