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基于PLC的步进电机手臂控制系统设计与实现

内容摘要

随着工业自动化控制技术的不断深入发展，数字控制系统已经在各个场合得到了广泛应用。而且，步进电机当前被广泛应用于经济型的高分辨率的数控定位系统当中。因此，研究基于数字编程控制的步进电机控制系统具有重要意义。

在工程应用中，机械手臂电机通常采用步进电机结构，系统电路结构简单、控制方便、经济耐用，因此得到了广泛的应用。而且随着数控自动化程度的不断提高，将PLC控制和机械手臂控制系统进行结合显然具有实际的意义。因此，本文设计了一种GE-III/741型PLC的步进电机控制系统，采用软件和硬件相结合的设计模式，利用PLC的I/O较多的优势，对机械手臂进行了相应的启停、正反转、拍节模式选择和速度控制等功能设计。这种类型的机械手臂控制系统具有结构简单、维护方便、成本低、易更新功能等优点。

关键词：PLC；步进电机；机械手臂；系统设计

目录

TOC\o1-3\h\z\u内容摘要 1

1绪论 3

1.1课题的背景 3

1.2国内外发展现状 3

1.2.1国外发展现状 3

1.2.2国内发展现状 4

1.3本文的主要内容 5

2步进电机机械手臂控制系统的总体设计 6

2.1步进电机机械手臂控制系统的生产工艺概述 6

2.2步进电机机械手臂系统控制需求分析 7

2.3总体设计方案 8

2.4系统器件选型 9

2.4.1PLC选型 9

2.4.2通信通道选择 10

3系统硬件设计 11

3.1控制系统供电电路的设计 11

3.2PLC的I/O模块设计 12

3.3传感器模块设计 14

4软件程序设计 15

4.1系统控制总体设计 15

4.2各模块的程序设计 16

4.2.1速度模式选择部分程序设计 16

4.2.2正反转控制设计 17

4.2.3拍节模式控制设计 18

5结论 19

参考文献 19

1绪论

1.1课题的背景

在当前的电力驱动控制系统中，各种类型的电机得到了广泛的应用，包括直流电机、交流异步电机、交流同步电机、无刷直流电机等。在上述类型的电机中，步进电机由于驱动控制简单、无累积误差，被广泛应用于经济型的高分辨率数控定位系统当中[1]。而随着半导体技术的发展，其所带来的工业自动化控制技术应用已经成为了增强工业生产力和竞争力的主要手段，并且有力的促进了企业和公司生产效率的提高。在工业自动化控制应用领域中，可编程控制器件PLC由于其功能强大、易编程控制、通俗易学等优势而得到了广泛应用。它的本质同单片机、DSP等计算机控制系统类似，都属于计算机控制方式。它工作的核心流程都是以通用或专用的CPU作为处理器，通过对内部固化的程序、中断等流程进行解码，进而最终实现对通道(字)的运算和数据存储。对于我们常见的PLC控制系统，它相对于单片机、DSP等控制系统而言，最大的区别就是其内部编程思想是在继电器的工作原理上发展而来的，因此，更加适合于对电机的启停控制、正反转控制、调速控制以及低频开关控制等场合。也正是因此，其在步进电机控制行业中受到了广泛欢迎。

因此，研究将PLC、单片机、DSP、FPGA等数控技术运用到步进电机控制系统中，以实现对步进电机的自动化、响应快、精度高、成本低的更加优良的控制性能，以适应当代工业发展的需要，显然具有重要的现实意义[2]。PLC的运行方式是程序自始至终一步一步不断循环扫描，当给PLC上电运转后，PLC内部的中央处理器调取用户编写的梯形图、功用图或许指令语句表等不同形式的程序，从第一条开始依照PLC内部设置的程序地址进行周期循环扫描，有分隔的程序片段或进入中断程序时，需跳出当前指令地址而跳转至相应的分隔程序和中断程序地址执行指令。当分隔程序或中断程序执行结束后，再跳转出来返回至进入点地址后的程序部分继续顺序执行。在此进程中，还有两项主要的作业，其一是对接收到的信号进行采样，其二是对发送的信号不断进行改写。因此，PLC的一次完整的程序执行过程必经的三个步骤分别是输入采样、程序识别计算、输出改写。

1.2国内外发展现状

1.2.1国外发展现状

步进电机最早是在1963年由美国加州伯克利大学分校的教授Geogre.W在当年的国际电机学术会议上最先提出的电机模型。其最初的应用是针对于当时的钢铁生产行业的。之后便申请了应用专利。在此之后的几十年间，由于微电子半导体技术、电力电子技术、自动控制原理、磁器件原件等的迅猛发展，使得基于上述结构理论的步进电机得到了井喷式发展，先后有许多成熟的