辽 宁 工 业 大 学
题目： 线切割机床步进电机的PLC 控制
院（系）：
专业班级：
学 号：
学生姓名：
指导教师： （签字）
起止时间： 2013.12
本科生课程设计（论文）
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘要
本文主要阐述了五相十拍步进电动机结构原理，以及对步进电机的调速和正反转的研究。采用 PLC 基本逻辑指令和常用指令的方法对步进电机调速正反转控制。步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其速度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、速度和方向。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。
关键词：步进电机；PLC ；脉冲
目录
第1章 绪论 ........................................................ 1
1.1 线切割机床 ................................................... 1
1.2 PLC 控制步进电机研究的意义 . ................................... 1
1.3 国内外关于步进电机和PLC 的应用状况 ........................... 2
第2章 课程设计方案 ............................................... 3
2.1 概述 ......................................................... 3
2.2 系统组成总体结构 ............................................. 3
第3章 硬件模块设计 ............................................... 4
3.1 PLC 系统设计 . ................................................. 4
3.1.1 PLC简介 ................................................ 4
3.1.2 PLC工作原理 ............................................ 4
3.1.3 PLC选择 ................................................ 4
3.1.4 I/O分配 ................................................. 5
3.2 步进机驱动器 ................................................. 6
3.3 步进电机 ..................................................... 6
3.4 PLC 外部接线图 . ............................................... 8
第4章 软件设计 .................................................. 10
4.1 软件编程 .................................................... 10
第5章 课程设计总结 .............................................. 16 参考文献 . .......................................................... 17
第1章 绪论
1.1 线切割机床
线切割机床（Wire cut Electrical Discharge Machining简称WEDM ），属电加工范畴，是由前苏联拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉，从而开创和发明了电火花加工方法。线切割机也于1960年发明于前苏联，我国是第一个用于工业生产的国家。其基本物理原理是自由正离子和电子在场中积累，很快形成一个被电离的导电通道。在这个阶段，两板间形成电流。导致粒子间发生无数次碰撞，形成一个等离子区，并很快升高到8000到12000度的高温，在两导体表面瞬间熔化一些材料，同时，由于电极和电介液的汽化，形成一个气泡，并且它的压力规则上升直到非常高。然后电流中断，温度突然降低，引起气泡内向爆炸，产生的动力把溶化的物质抛出弹坑，然后被腐蚀的材料在电介液中重新凝结成小的球体，并被电介液排走。然后通过NC 控制的监测和管控，伺服机构执行，使这种放电现象均匀一致，从而达到加工物被加工，使之成为合乎要求之尺寸大小及形状精度的产品。
1.2 PLC 控制步进电机研究的意义
在机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台：（1）液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工工序中；（2）机械滑台，用于切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中；（3）数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。可编程控制器（简称plc ）以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及CNC 机床的S 、T 、M 功能控制更显示出其卓越的性能。PLC 控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低70～90%，甚至只占用自动线控制单元PLC 的3～5个I/O接口及
1.3 国内外关于步进电机和PLC 的应用状况
中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。当时应用最多的是线切割机，都是快走丝的。线切割机的X-Y 平台丝杆就用步进电动机驱动。当时的图纸是全国公开，给个晒蓝图的费用就行了。原始的电路设计，机械设计，电动机设计的元老，应该有网友将他们的名字和个人简历，工作经历发上来。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。
国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。
总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。
第2章 课程设计方案
2.1 概述
步进电机按五相十拍工作方式，能实现正反转控制和低中高速控制，低速运行时转过一个步距角需要0.5秒，中速运行时转过一个步距角需要0.1秒，高速运行时转过一个步距角需要0.03秒。旋转方向和速度改变时相应的指示灯亮。
在进行程序设计时, 首先应明确对象的具体控制要求。由于CPU 对程序的串行扫描工作方式, 会造成输入/输出的滞后, 而由扫描方式引起的滞后时间, 最长可达两个多扫描周期，程序越长, 这种滞后越明显, 则控制精度就越低。因此, 在实现控制要求的基础上, 应使程序尽量简捷、紧凑。另一方面, 同一个控制对象, 根据生产的工艺流程的不同, 控制要求或控制时序会发生变化, 此时, 要求程序修改方便、简单。
2.2 系统组成总体结构
控制电机控制方法框图如图所示。控制方案是利用PLC 的高速脉冲输出功能输出脉冲信号，送给大功率管组成的驱动电路，经过驱动器去控制步进电机实现位置控制。应用PLC 对定时器进行不同的时间定时控制其速度。 通过定时器定时通、断电使步进电机不同绕组通、断电，实现步进电机的正反转。
图2.1 系统设计原理框图
第3章 硬件模块设计
3.1 PLC 系统设计
3.1.1 PLC 简介
PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。主要由电源、CPU 、存储器、I/O接口电路、功能模块、通信模块等组成。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
3.1.2 PLC 工作原理
1、输入采样阶段 ：在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。
2、用户程序执行阶段: PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图) 。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
3、输出刷新阶段:当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
3.1.3 PLC 选择
根据要求与实际情况，本次采用的是西门子S7-200系列中的CPU224型号（24V ,280mA ）。该型号集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K 字节程序
和数据存储空间。6个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID 控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。
图3.1 S7-200 CPU224
3.1.4 I/O分配
根据要求，输入采用五个开关分别控制电机启动停止，低速、中速、高速运行和控制电机的正反转，具体如下表：
表3.1 I/O地址分配表
3.2 步进机驱动器
步进电机驱动器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，从而达到调速和定位的目的。
本次选择HB505VN 五相混合式步进电机驱动器（AC40～110V 电源供电；最大 5A 相电流输出；具备10/20拍运行模式；静止时自动半电流锁定；输入输出信号光电隔离）采用创新的升压式恒相流控制电路，大大提高了电机运行的平稳性，同时对电机参数具有很强的适应性，不同参数的电机都能获得很好的运行性能。
图3.2 HB505VN实物图
3.3 步进电机 电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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。
步进电机作为执行元件，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，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR ）、永磁式步进电机（PM ）、混合式步进电机（HB ）和单相式步进电机等。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；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。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。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：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。步距角的计算、步距角的选择、电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36 度/0.72 度（五相电机）、0.9 度/1.8 度（二、四相电机）、1.5 度/3 度（三 相电机）等。 步距角的大小和通电方式、转子齿数、定子励磁绕组的相数的关系：
α =360°/mZK.
m ——步进电机的相数； Z——转子齿数； K ——通电方式系数； K=拍数/相数
本次选择110BYG550五相混合式步进电机（2.5A ，24V ，1.98N.m ）具有响应速度快、定位精度高、低速均速性好、在额定转速范围内具备恒转距运行平稳、振动小、噪音小、体积小、输出转矩大、伺服电机采用拉伸铝合金外壳、外观精美、传热性好、电机安装尺寸兼容市场主流机型、并且可以定制等特点。
图3.3 110BYG550实物图
3.4 PLC 外部接线图
PLC 外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求来设定。西门子PLC 输出信号为高电平信号，应采用共阴接法。
根据上图的I/O分配表通过查阅手册选择S7-200 CPU224基本单元，1台步进电动机采用五相十拍控制，外部接线图如下图所示：
图3.4 PLC 外部接线图
注：
1、选择双脉冲模式时控制器必须保证同一时刻只有一路脉冲工作
2、驱动器的步距既可由外接步距控制信号控制，也可由拨动开关设置，使用中应 3、当由外接步距控制信号控制时，拨动开关必须拨到10 拍位置（OFF 位置） 4、当由拨动开关控制时，步距控制信号输入光耦必须关断（不接信号即可）
以下为端子功能参考：
表3.2 接线端子功能参考
第4章 软件设计
4.1 软件编程
根据实验设计要求，编写程序梯形图如下：
本科生课程设计（论文）
本科生课程设计（论文）
4.1 程序梯形图
图
本科生课程设计（论文）
第5章 课程设计总结
本文讲述的是线切割机床步进电机的PLC 控制，即采用 PLC 基本逻辑指令和常用指令的方法对步进电机调速正反转控制。硬件设计包括CPU 选型、I/O点分配、步进电机驱动器的选型、步进电机的选型，PLC 与步进电机驱动器、步进电机的连接。本次设计采用西门子S7-200 CPU224，HB505VN 五相混合式步进电机驱动器，110BYG550五相混合式步进电机。
此次设计大体分为下面几个阶段：1、确定设计方案，画出方案框图；2、进行硬件电路的设计，包括元器件选择；3、绘制接线图；4、绘出程序框图。其中设计方案和硬件选择过程需要严格按照实验要求数据设计选型，力求严谨，符合试验要求；通过绘制原理图能够更加了解各部件引脚的功能含义，加深了对系统的工作方式的了解。
通过本次设计我了解了相关系统的工作原理与在工业中的具体应用方式。锻炼了对Word 、visio 等软件的使用，而且经过亲自手动操作设计，对电气控制与PLC 应用技术这门课程有了一层更加深刻的认识。
本科生课程设计（论文）
参考文献
[1] 林明星. 电气控制及可编程序控制器[M].北京：机械工业出版社，2010：
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[2] 高钦和. 可编程控制器应用技术及其设计实例[M].北京：高等教育出版社，
2003：66-78
[3] 张万忠. 电器与PLC 控制技术 [M].北京：化学工业出版社，2009.6
[4] 王忠峰. 西门子PLC 课程设计指导书. 江西理工大学应用科学学院
[5] 肖清. 电器与PLC 控制技术实验指导书. 江西理工大学应用科学学院
[6] 徐轶，刘新正.PLC 在伺服控制系统中的应用[J].机床与液压，2006，2(5)：
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[7] 易泓可. 电气控制系统实际基础与范例[M].北京：机械工业出版社，2008.7
[8] 周淑珍. PLC 分析与设计应用[M].北京：中国电力出版社，2009.1
[9] 李缓. PLC原理与应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.8
[10] 张万忠. 电气与PLC 控制技术[M].北京：化学工业出版社，2006.6
[11] 廖常初. PLC 编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2011.1
[12] 程子华. PLC 原理与实例分析[M].北京：国防工业出版社，2005.3
[13] 李道霖. 电气控制与PLC 原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2005.1
[14] 梅丽凤. 电气控制与PLC 应用技术[M].北京：机械工业出版社，2011.12
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题目： 线切割机床步进电机的PLC 控制
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课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘要
本文主要阐述了五相十拍步进电动机结构原理，以及对步进电机的调速和正反转的研究。采用 PLC 基本逻辑指令和常用指令的方法对步进电机调速正反转控制。步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其速度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、速度和方向。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。
关键词：步进电机；PLC ；脉冲
目录
第1章 绪论 ........................................................ 1
1.1 线切割机床 ................................................... 1
1.2 PLC 控制步进电机研究的意义 . ................................... 1
1.3 国内外关于步进电机和PLC 的应用状况 ........................... 2
第2章 课程设计方案 ............................................... 3
2.1 概述 ......................................................... 3
2.2 系统组成总体结构 ............................................. 3
第3章 硬件模块设计 ............................................... 4
3.1 PLC 系统设计 . ................................................. 4
3.1.1 PLC简介 ................................................ 4
3.1.2 PLC工作原理 ............................................ 4
3.1.3 PLC选择 ................................................ 4
3.1.4 I/O分配 ................................................. 5
3.2 步进机驱动器 ................................................. 6
3.3 步进电机 ..................................................... 6
3.4 PLC 外部接线图 . ............................................... 8
第4章 软件设计 .................................................. 10
4.1 软件编程 .................................................... 10
第5章 课程设计总结 .............................................. 16 参考文献 . .......................................................... 17
第1章 绪论
1.1 线切割机床
线切割机床（Wire cut Electrical Discharge Machining简称WEDM ），属电加工范畴，是由前苏联拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉，从而开创和发明了电火花加工方法。线切割机也于1960年发明于前苏联，我国是第一个用于工业生产的国家。其基本物理原理是自由正离子和电子在场中积累，很快形成一个被电离的导电通道。在这个阶段，两板间形成电流。导致粒子间发生无数次碰撞，形成一个等离子区，并很快升高到8000到12000度的高温，在两导体表面瞬间熔化一些材料，同时，由于电极和电介液的汽化，形成一个气泡，并且它的压力规则上升直到非常高。然后电流中断，温度突然降低，引起气泡内向爆炸，产生的动力把溶化的物质抛出弹坑，然后被腐蚀的材料在电介液中重新凝结成小的球体，并被电介液排走。然后通过NC 控制的监测和管控，伺服机构执行，使这种放电现象均匀一致，从而达到加工物被加工，使之成为合乎要求之尺寸大小及形状精度的产品。
1.2 PLC 控制步进电机研究的意义
在机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台：（1）液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工工序中；（2）机械滑台，用于切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中；（3）数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。可编程控制器（简称plc ）以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及CNC 机床的S 、T 、M 功能控制更显示出其卓越的性能。PLC 控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低70～90%，甚至只占用自动线控制单元PLC 的3～5个I/O接口及
1.3 国内外关于步进电机和PLC 的应用状况
中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏、浙江、北京、南京、四川都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。中等耐压的大功率半导体器件也完全国产化。当时应用最多的是线切割机，都是快走丝的。线切割机的X-Y 平台丝杆就用步进电动机驱动。当时的图纸是全国公开，给个晒蓝图的费用就行了。原始的电路设计，机械设计，电动机设计的元老，应该有网友将他们的名字和个人简历，工作经历发上来。国外在大功率的工业设备驱动上，目前基本不使用大扭矩步进电动机，因为从驱动电路的成本，效率，噪音，加速度，绝对速度，系统惯量与最大扭矩比来比较，比较不划算，还是用直流电动机，加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。
国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。
总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。
第2章 课程设计方案
2.1 概述
步进电机按五相十拍工作方式，能实现正反转控制和低中高速控制，低速运行时转过一个步距角需要0.5秒，中速运行时转过一个步距角需要0.1秒，高速运行时转过一个步距角需要0.03秒。旋转方向和速度改变时相应的指示灯亮。
在进行程序设计时, 首先应明确对象的具体控制要求。由于CPU 对程序的串行扫描工作方式, 会造成输入/输出的滞后, 而由扫描方式引起的滞后时间, 最长可达两个多扫描周期，程序越长, 这种滞后越明显, 则控制精度就越低。因此, 在实现控制要求的基础上, 应使程序尽量简捷、紧凑。另一方面, 同一个控制对象, 根据生产的工艺流程的不同, 控制要求或控制时序会发生变化, 此时, 要求程序修改方便、简单。
2.2 系统组成总体结构
控制电机控制方法框图如图所示。控制方案是利用PLC 的高速脉冲输出功能输出脉冲信号，送给大功率管组成的驱动电路，经过驱动器去控制步进电机实现位置控制。应用PLC 对定时器进行不同的时间定时控制其速度。 通过定时器定时通、断电使步进电机不同绕组通、断电，实现步进电机的正反转。
图2.1 系统设计原理框图
第3章 硬件模块设计
3.1 PLC 系统设计
3.1.1 PLC 简介
PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。主要由电源、CPU 、存储器、I/O接口电路、功能模块、通信模块等组成。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
3.1.2 PLC 工作原理
1、输入采样阶段 ：在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。
2、用户程序执行阶段: PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图) 。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
3、输出刷新阶段:当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
3.1.3 PLC 选择
根据要求与实际情况，本次采用的是西门子S7-200系列中的CPU224型号（24V ,280mA ）。该型号集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13K 字节程序
和数据存储空间。6个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID 控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。
图3.1 S7-200 CPU224
3.1.4 I/O分配
根据要求，输入采用五个开关分别控制电机启动停止，低速、中速、高速运行和控制电机的正反转，具体如下表：
表3.1 I/O地址分配表
3.2 步进机驱动器
步进电机驱动器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，从而达到调速和定位的目的。
本次选择HB505VN 五相混合式步进电机驱动器（AC40～110V 电源供电；最大 5A 相电流输出；具备10/20拍运行模式；静止时自动半电流锁定；输入输出信号光电隔离）采用创新的升压式恒相流控制电路，大大提高了电机运行的平稳性，同时对电机参数具有很强的适应性，不同参数的电机都能获得很好的运行性能。
图3.2 HB505VN实物图
3.3 步进电机 电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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。
步进电机作为执行元件，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，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR ）、永磁式步进电机（PM ）、混合式步进电机（HB ）和单相式步进电机等。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；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。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。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：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。步距角的计算、步距角的选择、电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36 度/0.72 度（五相电机）、0.9 度/1.8 度（二、四相电机）、1.5 度/3 度（三 相电机）等。 步距角的大小和通电方式、转子齿数、定子励磁绕组的相数的关系：
α =360°/mZK.
m ——步进电机的相数； Z——转子齿数； K ——通电方式系数； K=拍数/相数
本次选择110BYG550五相混合式步进电机（2.5A ，24V ，1.98N.m ）具有响应速度快、定位精度高、低速均速性好、在额定转速范围内具备恒转距运行平稳、振动小、噪音小、体积小、输出转矩大、伺服电机采用拉伸铝合金外壳、外观精美、传热性好、电机安装尺寸兼容市场主流机型、并且可以定制等特点。
图3.3 110BYG550实物图
3.4 PLC 外部接线图
PLC 外部接线图的输入输出设备、负载电源的类型等的设计就结合系统的控制要求来设定。西门子PLC 输出信号为高电平信号，应采用共阴接法。
根据上图的I/O分配表通过查阅手册选择S7-200 CPU224基本单元，1台步进电动机采用五相十拍控制，外部接线图如下图所示：
图3.4 PLC 外部接线图
注：
1、选择双脉冲模式时控制器必须保证同一时刻只有一路脉冲工作
2、驱动器的步距既可由外接步距控制信号控制，也可由拨动开关设置，使用中应 3、当由外接步距控制信号控制时，拨动开关必须拨到10 拍位置（OFF 位置） 4、当由拨动开关控制时，步距控制信号输入光耦必须关断（不接信号即可）
以下为端子功能参考：
表3.2 接线端子功能参考
第4章 软件设计
4.1 软件编程
根据实验设计要求，编写程序梯形图如下：
本科生课程设计（论文）
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4.1 程序梯形图
图
本科生课程设计（论文）
第5章 课程设计总结
本文讲述的是线切割机床步进电机的PLC 控制，即采用 PLC 基本逻辑指令和常用指令的方法对步进电机调速正反转控制。硬件设计包括CPU 选型、I/O点分配、步进电机驱动器的选型、步进电机的选型，PLC 与步进电机驱动器、步进电机的连接。本次设计采用西门子S7-200 CPU224，HB505VN 五相混合式步进电机驱动器，110BYG550五相混合式步进电机。
此次设计大体分为下面几个阶段：1、确定设计方案，画出方案框图；2、进行硬件电路的设计，包括元器件选择；3、绘制接线图；4、绘出程序框图。其中设计方案和硬件选择过程需要严格按照实验要求数据设计选型，力求严谨，符合试验要求；通过绘制原理图能够更加了解各部件引脚的功能含义，加深了对系统的工作方式的了解。
通过本次设计我了解了相关系统的工作原理与在工业中的具体应用方式。锻炼了对Word 、visio 等软件的使用，而且经过亲自手动操作设计，对电气控制与PLC 应用技术这门课程有了一层更加深刻的认识。
本科生课程设计（论文）
参考文献
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