包头西门子伺服电机代理商

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基于西门子S7—300的步进电机控制

基于西门子 S7-300PLC 的步进电机控制 设计（论文）主要内容： 1. 步进电机控制原理简述； 2. 应用西门子 S7-300PLC 控制步进电机原理； 3. 应用西门子 S7-300PLC 控制步进电机硬件电路设计； 4. 应用西门子 S7-300PLC 控制步进电机软件设计； 5. 应用西门子 S7-300PLC 控制步进电机的运行调试。

要求完成的主要任务及其时间安排: 1. 第 2 周：查阅资料，了解设计选题的主要内容； 2. 第 3 周：根据任务书要求及所查阅的资料，撰写并完成开题报告； 3. 第 4 周：完成步进电机控制控制原理的阐述； 4. 第 5 周：完成应用西门子 S7-300PLC 控制步进电机原理阐述； 5. 第 6 周：完成应用西门子 S7-300PLC 控制步进电机的硬件电路设计； 6. 第 7-8 周：完成应用西门子 S7-300PLC 控制步进电机的控制软件设计； 7. 第 9 周：对所设计的系统进行实际调试并给出调试结果； 8. 第 10 周：完善设计报告，给出毕业设计论文初稿； 9. 第 11-13 周：根据指导教师批阅意见修改毕业设计论文，并给出定稿。

10. 第 14-15 周：结设计过程，准备答辩； 11. 第 16 周：按学校统一规定的答辩时间完成答辩。

必读参考资料： 1. 向晓汉.西门子 PLC 高级应用实例精解.机械工业出版社，2010. 2. 柳春生 编著.电器控制与 PLC.机械工业出版，2010. 指导教师签名： 教研室主任签名： 盖章 2

武汉理工大学华夏学毕业设计 毕业设计(论文)开题报告 题目 基于西门子 S7-300PLC 的步进电机控制 1．目的及意义（含国内外的研究现状分析） ： 步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在 少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。

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。

步进电机具有转子惯量低、定位精度高、无 累积误差、控制简单等特点，已成为运动控制领域的主要执行元件。

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，在各个行业的控制领域 都将有广泛应用。

而现在的可编程控制器(通常称 PLC) 是一种工业控制计算机， 具有模块化 结构、配置灵活、高速的处理速度、的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越 的等性能，能充分适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高，是目前广泛应用 的控制装置。

步进电动机大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI 和 MINEBEA 及 NPM 公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量，还是生产手段，都堪 称是世界上好的。

现在日本步进电动机年产量（含国外独资公司）近 2 亿台，德国也是世 界上步进电动机生产大国。

德国 B.L.公司 1994 年五相混合式步进电动机期满后， 推出了 新的三相混合式步进电动机系列，为定子 6 极转子 50 齿结构，配套电流型驱动器，每转步数 为 200、400、1000、2000、4000、10000 和 20000，它具有通常的二相和五相步进电动机的分 辨率，还可以在此基础上再 10 细分，分辨率提高 10 倍，这是一种很好的方案，充分运用了 电流型驱动技术的功能，让三相电动机同时具有二相和五相电动机的性能。

与此同时，日本 伺服公司也推出了他们的三相混合式步进电动机。

该公司阪正文博士研制了三种不同的永磁 式三相步进电动机，即 HB 型（混合式） 、RM 性（定子和混合式相似，转子则同永磁式环形磁 铁相似）和爪极 PM 型。

2．基本内容和技术方案： 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 [10] 。

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 [11] 。

控制步进电机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，其发出的频率大为 10KHz，能够满足步进电动机的要求。

对 PLC 提出两个特性要求。

一是在此应用的 PLC 好是具有实时刷新技术的 PLC，使输出信号的 3

武汉理工大学华夏学毕业设计 频率可以达到数千赫芝或更高。

其目的是使脉冲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， [12] 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 。

3．进度安排： 1. 第 2 周：查阅资料，了解设计选题的主要内容； 2. 第 3 周：根据任务书要求及所查阅的资料，撰写并完成开题报告； 3. 第 4 周：完成步进电机控制控制原理的阐述； 4. 第 5 周：完成应用西门子 S7-300PLC 控制步进电机原理阐述； 5. 第 6 周：完成应用西门子 S7-300PLC 控制步进电机的硬件电路设计； 6. 第 7-8 周：完成应用西门子 S7-300PLC 控制步进电机的控制软件设计； 7. 第 9 周：对所设计的系统进行实际调试并给出调试结果； 8. 第 10 周：完善设计报告，给出毕业设计论文初稿； 9. 第 11-13 周：根据指导教师批阅意见修改毕业设计论文，并给出定稿。

10. 第 14-15 周：结设计过程，准备答辩； 11. 第 16 周：按学校统一规定的答辩时间完成答辩。

4．指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日 注：1.开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰 写，在学规定时间内完成； 2．设计(论文)目的及意义至少 800 字，基本内容和技术方案至少 400 字； 3．指导教师意见应从选题的理论或实际价值出发，阐述学生利用知识、原理、建立的模 型正确与否、学生能否完成课题，达到预期的目标。

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步进电机的西门子PLC控制

步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机，传统电 动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的 作用。

可是在人类社会进入自动化时代的，传统电动机的功能已不能满足工 厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。

为适应这些要求，发展了一 系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一 类便是步进电动机。

步进电动机的发展与计算机工业密切相关。

自从步进电动机在计算机外围设 备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机 的发展。

另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行 部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、 测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。

任何一种产品成熟的过程，基本上 都是规格品种逐步统一和简化的过程。

现在，步进电动机的发展已归结为单段式 结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。

爪极电机价格便宜，性能指标 不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控 制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。

典型的产品是二相 8 极 50 齿 的电动机， 步距角 1.8°／0.9° （全步／半步） 还有五相 10 极 50 齿和一些转子 100 ； 齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。

到目前， 工业发达的磁阻式步进电动机已极少见 。

[1] 步进电动机大的生产国是日本， 如日本伺服公司、 东方公司、 SANYO DENKI 和 MINEBEA 及 NPM 公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质 量，还是生产手段，都堪称是世界上好的。

现在日本步进电动机年产量（含国 外独资公司） 2 亿台， 近 德国也是世界上步进电动机生产大国。

德国 B.L.公司 1994 年五相混合式步进电动机期满后，推出了新的三相混合式步进电动机系列， 为定子 6 极转子 50 齿结构， 配套电流型驱动器， 每转步数为 200、 400、 1000、 2000、 4000、10000 和 20000，它具有通常的二相和五相步进电动机的分辨率，还可以在 此基础上再 10 细分，分辨率提高 10 倍，这是一种很好的方案，充分运用了电流 型驱动技术的功能，让三相电动机同时具有二相和五相电动机的性能。

与此同时， 日本伺服公司也推出了他们的三相混合式步进电动机。

该公司阪正文博士研制了 、RM 性（定子和混合式 三种不同的永磁式三相步进电动机，即 HB 型（混合式） 1

东北石油大学本科生毕业设计 相似，转子则同永磁式环形磁铁相似）和爪极 PM 型。

将三相步进电动机同二相 步进电动机进行比较后得出： 1）在获得小步距角方面，三相电动机比二相电动机要好。

，而二相 2）三相电动机的两相励磁大保持力矩为 3T1（T1 为单相励磁转矩） 电动机为 2T1，所以三相电动机的合成力矩大。

3）三相电动机的转矩波动比二相电动机要小。

4）三相电动机连续 2 步用于半步的转矩差比二相电动机的要小。

5）三相电动机绕组可以星形连接，三个终端驱动，励磁电路晶体管 6 个； 而 二相电动机是 8 个。

6）连续运转时，由于三相步进电动机结构原因，磁通和电流的三次谐波被消 除了，所以三相电动机的振动力矩比二相电动机的要小.结论是显而易见的 。

[2] 另外的结论是 HB 型电动机更适合于低速大转矩用途；RM 型适用于平稳运行 以及转速大于 1000r/min 的用途；而 PM 型成本低，在低转速时的振动和高转速时 的大转矩方面，三相 PM 型电动机比两相电动机的性能要好。

因此，当前有发 展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向以下四个方向发展： 发展趋势一， 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， 57、 机座号的电动机应用了多年后， 在 42 现在其机座号向 39、35、30、25 方向向下延伸。

瑞士 ESCAP 公司近还研制出 外径仅 10mm 的步进电动机。

发展趋势之二，是改圆形电动机为方形电动机。

由于电动机采用方型结构， 使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。

同样机座号的 电动机，方形的力矩比圆形的将提高 30％～40％ 发展趋势之三，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 更加优越的控制性能。

发展趋势之四，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。

我国的情况有所不同，直到 20 世纪 80 年代，一直是磁阻式步进电动机占统 治地位，混合式步进电动机是 80 年代后期才开始发展，至今仍然是二种结构类型 同时并存。

尽管新的混合式步进电动机完全可能替代磁阻式电动机，但磁阻式电 动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步 进电动机的步距角（0.9°/1.8°）与典型的磁阻式电动机的步距角（0.75°/1.5°） 不一样，用户改变这种产品结构不是很容易的，这就使得两种机型并存的局面难 以在较短时间内改变。

这种现状对步进电动机的发展是不利的。

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东北石油大学本科生毕业设计 1.2 系统设计的任务 步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式的 改变都可在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。

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。

步进电机具 有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，已成为运动控制领 域的主要执行元件。

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，在各个行业 的控制领域都将有广泛应用。

而现在的可编程控制器(通常称 PLC) 是一种工业控 制计算机，具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、的数据处理能力、 多种控制功能、网络技术和优越的等性能，能充分适应工业环境，简单易 懂，操作方便，可靠性高，是目前广泛应用的控制装置。

本设计是采用是 S7—300 控制三相六拍的反应步式步进电机，通过软件设计 移位脉冲频率来控制步进电机的慢速、中速、快速。

移位寄存器指令 MW0 的低八 位按照三相六拍的步进顺序进行赋值来控制步进动机的转动。

围绕这两个主要方 面，可提出具体的控制要求如下: 1）可正转起动或反转起动； 2）运行过程中，正反转可随时不停机切换； 3）步进速度可分为高速(0. 05 s) 、中速(0. 1s) 、低速(0. 5 s) 三档，并可随时 手控变速； 4）停止时，应对移位寄存器清零，使每次起动均从 A 相开始。

1.3 本章小结 本章阐述了此次设计的背景，即步进电机的发展状况，和步进电机在工业自 动化生产中的重大作用。

提出了本次设计的设计任务，用 PLC 控制步进电机以不 同的方式运行。

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东北石油大学本科生毕业设计 第 2 章 步进电机及 PLC 简介 2.1 步进电机简介 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、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 。

[3] 2.1.1 步进电机的分类 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，这种步进电机的应用 为广泛。

三相反应式步进电机的结构如图所示。

定子、转子是用硅钢片或其他软磁材 料制成的。

定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为 A、B、 C 相。

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