发布时间 : 星期一 文章基于S7-200PLC步进电机控制系统本科生毕业设计更新完毕开始阅读6bdd094ca22d7375a417866fb84ae45c3a35c226
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第三章 西门子S7-200 PLC
3.1 S7-200 PLC
S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能可达到大、中型PLC
的水平，而价格却与小型PLC的一样，因此，它一经推出，就受到了广泛的关注。在2000年以前，西门子在中国市场的PLC产品主要是大中型PLC，日本的小型PLC占据了中国大部分的市场份额。在S7-200PLC推出后，这种情况得到了明显的改善，最近几年来的小型PLC市场上S7-200PLC成为了主流产品。
西门子最早的小型PLC产品是在上世纪末推出的S7-200CPU21*系列的PLC，但很快就被CPY22*系列的产品所取代了。由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。现在最新版的S7-200PLC系列PLC是在2004年推出的，它的主要特点是：较高的可靠性、丰富的指令集、丰富的内置集成功能、实时特性强和强大的通信能力。
3.2.1 硬件系统
S7-200PLC属于小型PLC，其主机的基本结构是整体式，主机上有一顶数量的输入/
输出(I/O)点，一个主机单元就是一个系统。它还可以进行灵活的扩展，如果(I/O)点不够，则可增加(I/O)扩展模块；如果需要其他特殊功能，如特殊通信或定位控制等，则可以增加相应的功能模块。
一个完整的系统组成如图3.1所示：
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编程工具CPU主机模块扩展模块功能模块通信模块HMI人机模块工业现场总线图3.1 S7-200 PLC系统组成
主机单元：主机单元，又称基本单元或CPU模块。它由CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等组成，是PLC的主要部分。实际上它就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。
扩展单元：扩展单元，又称扩展模块。当主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块。根据I/O点数不同、性质不同、供电电压不同，I/O扩展模块有多种类型。每个CPU所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的I/O点数是由多种因素共同决定的。
特殊功能模块：当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。它们是完成某种特殊控制任务的一些装置，如运动控制模块、特殊通信模块等。
相关设备：相关设备是为充分和方便利用系统的硬件和软件资源而开发、使用的一些设备，主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。
软件：软件是为管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，对S7-200PLC来说，与之配套的软件主要有STEP7-Micro/WIN和HMI人机界面的组态编程软件Pro Tool、
Win CC flexible。
3.2.2 软元件
用户使用的PLC中的每一个输入/输出、内部存储单元、定时器和计数器等都称作软元件。软元件是PLC内部的具有一定功能的器件，这些器件实际上是由电子电路和寄存器及存储器单元等组成。为了把这种元器件和传统电气控制电路中的继电器区别开来，把它们成为软元件或者软继电器。它们最大的特点是：
1）软元件是看不见、摸不着的，不存在物理性的触点；
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2）每个软元件可提供无限个常开触点和常闭触点； 3）体积小、功耗低、寿命长。
常用软元件有：输入继电器（I）、输出继电器(Q)、通用辅助继电器(M)、特殊继电器(SM)、变量存储器(V)、局部变量存储器(L)、顺序控制继电器(S)、定时器(T)、计数器(C)、模拟量输入映像寄存器(AI)、模拟量输出映像寄存器(AQ)、高速计数器(HC)、累加器(AC)等。[]
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3.2 PLC技术在步进电机控制中的应用
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（PLC）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。
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第四章 S7-200 PLC控制步进电机设计
步进电机的控制和驱动方法很多，按照使用的控制装置来分可以分为:普通集成电路控制、单片机控制、工业控制机控制、可编程控制器控制等几种。
本设计选用西门子S7-200 PLC通过控制驱动器来控制步进电机。
4.1 步进电机的选择
本设计使用的步进电机选用的是型号为42H2P3412A4的两相混合式步进电机，该型号的步进电机步矩角为1.8°，相电流1.2A，相电阻3.2Ω，相电感4.4mH，静转矩
1.9kg·cm，转动惯量41g·cm2，轴径5mm，引线4条，机身长34mm [4]。两相混合式
步进电机内部结构如图4.1所示：
图4.1 两相混合式步进电机内部结构
两相混合式步进电动机的绕组接线如图4.2所示，A、B两相绕组沿径向分相，沿着定子圆周有8个凸出的磁极，1、3、5、7磁极属于A相绕组，2、4、6、8磁极属于B相绕组，定子每个极面上有5个齿，极身上有控制绕组。转子由环形磁钢和两段铁芯组成，环形磁钢在转子中部，轴向充磁，两段铁芯分别装在磁钢的两端，使得转子轴向分为两个磁极。转子铁芯上均匀分布50个齿，两段铁芯上的小齿相互错开半个齿距，定转子的齿距和齿宽相同。
线圈1、5、3、7串联组成A相绕组；线圈2、6、4、8串联组成B相绕组。绕组接线如图2.2所示：
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