PLC控制步进电机的系统设计(毕业设计)1编程频道|福州电脑网

2024年4月5日发(作者：)

摘要

本文主要阐述了三相三拍步进电动机结构和步进电机原理，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很正反转控

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。

步进电机是一种感应电机，其工作的基本原理在于将电脉冲转化为角位移进行输出。

在通常情况下，电机的转速以及停止的位置只与脉冲信号的频率和脉冲数有关，而不受

负载变化的影响。当步进驱动器接受到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设计的方向

转动一个固定的角度。因此，本次设计的中心思想是通过控制脉冲输出信号的频率和个

数，实现步进电机的速度、方向、定位等功能

综上所述，本次设计分别采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,

PLC）的高速脉冲输出PTO和定时器两种不同的方式进行对步进电机的控制，PLC在本质

上是一种专用于工业控制的计算机，可以完成一些复杂的机械或生产过程。本次PLC的

设计理念在于采用模块化设计，针对设计要求，通过主程序调用相应的子程序及中断程

序来完成步进电机的不同功能。

关键字：步进电机可编程逻辑控制器高速脉冲输出PTO 定时器

第一章概述 ................................................... 4

1.1 PLC控制步进电机研究的意义 ....................................... 4

1.2 国内外关于步进电机和PLC的应用状况 ............................... 4

1.3 步进电机和PLC的简单介绍 .......................................... 5

第二章 PLC的选择和软硬件设计

....................................... 5

2.1 PLC的工作原理 .................................................... 6

2.1.1 输入处理 ................................................... 6

2.1.2 程序执行 ................................................... 6

2.1.3 输出处理 ................................................... 7

2.2 PLC的特点与选择 ................................................. 7

2.2.1 结构灵活 ................................................... 7

2.2.2 传输质量高、速度快、带宽稳定 ............................... 7

2.2.3 范围广 ..................................................... 8

2.2.4 低成本 ..................................................... 8

2.2.5 适用面广 ................................................... 8

2.3 硬件设计 ......................................................... 9

2.3.1 控制系统结构 ............................................... 9

2.3.2 硬件选型原则 .............................................. 10

2.3.3 硬件连接 .................................................. 10

2.4 软件设计 ........................................................ 10

第三章步进电机的选择

............................................... 11

3.1 步进电机的原理 .................................................. 11

3.2 步进电机的选择 .................................................. 13

3.2.1 步距角的选择 .............................................. 13

3.2.2 静力矩的选择 .............................................. 13

3.2.3 电流的选择 ................................................ 14

第四章系统原理图设计

................................................. 15

4.1 梯形图 .......................................................... 15

4.2 控制程序指令表 .................................................. 17

第五章系统调试与故障排除及预期效果分析

......................... 17

5.1 初始化程序 ...................................................... 18

5.2 步进电动机正转 .................................................. 19

5.3 步进电动机反转 .................................................. 19

5.4 减速调整 ........................................................ 19

5.5 增速调整 ........................................................ 19

总结 .................................................................... 20

致谢 .....................................................................

参考文献 ................................................................ 22

第一章概述

1.1 PLC控制步进电机研究的意义

在组合机床自动线中，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<1KB的内

存。特别是大型自动线中可以使控制系统的成本显著下降。

1.2 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。

图1-1 步进电机外观图

1.3 步进电机和PLC的简单介绍

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。

图1-2 步进电机构造图

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。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。”

第二章 PLC的选择和软硬件设计

2.1 PLC的工作原理

PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令

开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描

过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程

扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作

服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、

程序输出，一直循环扫描工作。

2.1.1 输入处理

输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并将读入的信

息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新。接着进入程序执行阶

段。在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映象寄存

器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。

2.1.2 程序执行

根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。

遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到

输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从

输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存

器中。对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。

2.1.3 输出处理

程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出

处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输

出控制信号，驱动外部负载。

2.2 PLC的特点与选择

对于PLC的选择，我们必须考虑多方面的因素。例如输入、输出的最多点数，扫描速度，

内存容量，指令条数，功能模块等。同时还有考虑其经济实用姓以及工作环境对其的影

响。PLC发展这么多年，技术成熟，各种型号的也很多，各个厂家生产的也有一定的区

别，各个重点发展方向也不同，所以我们必须根据自己的设计需要，考虑如何选择。

确定型号为三菱FX2N系列的PLC：三菱PLC是一种集成型小型单元式PLC。且具有完

整的性能和通讯功能等扩展性。FX2N系列:是三菱PLC是FX家族中最先进的系列。具

有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为工厂自动化应用提供

最大的灵活性和控制能力。

图2-1 FX-2N系列PLC

主要特点：

2.2.1 结构灵活

不受环境的限制，有电即可组建网络，同时可以灵活扩展接入端口数量，使资源

保持较高的利用率，在移动性方面可与WLAN媲美。

2.2.2 传输质量高、速度快、带宽稳定

可以很平顺的在线观赏DVD影片，它所提供的14Mbps带宽可以为很多应用平台提

供保证。最新的电力线标准HomePlug AV传输速度已经达到了200Mbps；为了确保

QOS，HomePlug AV采用了时分多路访问（TDMA）与带有冲突检测机能的载体侦听

多路访问（CSMA）协议，两者结合，能够很好地传输流媒体。

2.2.3 范围广

无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。虽然无线网络可以做到不破墙，但

对于高层建筑来说，其必需布设N多个AP才能满足需求，而且同样不能避面信号

盲区的存在。而电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比

拟的。由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一处有电力线的

地方。这一技术一旦全面进入商业化阶段，将给互联网普及带来极大的发展空间。

终端用户只需要插上电力猫，就可以实现因特网接入，电视频道接收节目，打电

话或者是可视电话。

2.2.4 低成本

充分利用现有的低压配电网络基础设施，无需任何布线，节约了资源。无需挖沟

和穿墙打洞，避免了对建筑物、公用设施、家庭装潢的破坏，同时也节省了人力。

相对传统的组网技术，PLC成本更低，工期短，可扩展性和可管理性更强。目前国

内已开通电力宽带上网的地方，其包月使用费用一般为50-80元/月左右，这样的

价格和很多地方的ADSL包月相持平。

2.2.5 适用面广

PLC作为利用电力线组网的一种接入技术，提供宽带网络“最后一公里”的解决方

案，广泛适用于居民小区，酒店，办公区，监控安防等领域。它是利用电力线作

为通信载体，使得PLC具有极大的便捷性，只要在房间任何有电源插座的地方，

不用拨号，就立即可享受4.5~45Mbps的高速网络接入，来浏览网页﹑拨打电话，

和观看在线电影，从而实现集数据、语音、视频，以及电力于一体的“四网合一”。

三菱FXPLC是小形化，高速度，高性能和所有方面都是相当FX系列中最高档次的

超小程序装置，除输入出16～25点的独立用途外，还可以适用于多个基本组件间

的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。

--系统配置即固定又灵活；

--编程简单；

--备有可自由选择，丰富的品种；

--令人放心的高性能；

--高速运算；

--使用于多种特殊用途；

--外部机器通讯简单化；

--共同的外部设备。

2.3 硬件设计

2.3.1 控制系统结构

设计中,步进电机PLC控制方案其系统结构如图2-2所示。系统硬件部分由控制面板、

PLC控制器、驱动器、步进电机等组成。上位机是个人计算机,作为控制面板、人机交互

界面和控制软件编制环境,通过与PLC的通信,实现操作监控功能;控制器PLC发出脉冲、

方向信号,通过驱动器控制步进电机的运行状态。因为设计的步进电机控制系统中要求

手动盘车功能,在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴,这时要利用驱动器的脱

机信号功能,使电机脱机,进行手动操作或调节;手动完成后,再将脱机信号去除,以继续

自动控制。

图2-2 控制系统机构

2.3.2 硬件选型原则

(1)步进电机:步进电机有步距角、静力矩、电流三大要素组成。根据负载的控制精度要

求选择步距角大小,根据负载的大小确定静力矩,静力矩一经确定根据电机矩频特性曲

线来判断电机的电流。一旦三大要素确定,步进电机的型号便确定下来了。

（2)驱动器:遵循先选电机后选驱动的原则,电机的相数、电流大小是驱动器选择的决

定性因素;在选型中,还要根据PLC输出信号的极性来决定驱动器输入信号是共阳极或共

阴极。为了改善电机的运行性能和提高控制精度,通常通过选择带细分功能的驱动器来

实现,目前驱动器的细分等级有8倍、16倍、32倍、64倍等,最高可达256倍细分。在

实际应用中,应根据控制要和步进电机的特性选择合适的细分倍数,以达到更高的速度

和更大的高速转矩,使电机运转精度更高,振动更小。

(3)PLC:运用PLC控制步进电机时,应该保证PLC具有高速脉冲输出功能,通过选择具

有高速脉冲输出功能或专用运动控制功能的模块来实现。设计中,根据选型原则和功能

要求,我们采用的步进电机为0.6°步距角的三相步进电机,PLC为三菱的FX2系PLC。

2.3.3 硬件连接

按照系统控制要求,系统I/O硬件连接如图2-3所示(部分)。

2.4 软件设计

表2-1 I/O地址分配

输入

输入继电器

作用

启停按钮

正反转切换开关

减速按钮

增速按钮

Y10

Y11

Y12

输出

输出继电器作用

电脉冲序列

图2-3 I/O接线图

第三章步进电机的选择

3.1 步进电机的原理

步进电机是一种将电子数字脉冲信号转变为机械运动的电磁增量运动器件。典型的电机

绕组固定在定子上，而转子则由硬磁或软磁材料组成。当控制系统将一个电脉冲信号经

功率装置加到定子绕组中，电机便会沿一定的方向旋转一步。脉冲的频率决定电机的转

速。电机转动的角度与所输入的电脉冲个数成正比；因此，只要简单地改变输入脉冲的

数目，就能控制步进电机的转子运行角度，从而达到位置控制的目的。

步进电机有以下特点：

（1）运行角度正比于输入脉冲，便于开环运行，花费少；

（2）具有锁定转矩；

（3）定位精度高，并且没有累积误差；

（4）具有优良的起动、停止、反转响应；

（5）无电刷和可靠性高；

（6）可低速运行，直接驱动负载；

（7）不适宜的控制会引起振动；

（8）不宜运行于高速状态。

图3-1 步进电机的工作原理图

图3-2步进电机驱动电路

3.2 步进电机的选择

步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定

下来，步进电机的型号就确定了。

3.2.1 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。

3.2.2 静力矩的选择

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依

据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一

的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时

主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载

的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

3.2.3 电流的选择

静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，

判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）

综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：

步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与

功率换算如下：

P= Ω·M

Ω=2π·n/60

P=2πnM/60

其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位

为牛顿·米

P=2πfM/400(半步工作）

其中f为每秒脉冲数（简称PPS)

第四章系统原理图设计

4.1梯形图

梯形图是PLC使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器

控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适

用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。

图4-1梯形图

4.2控制程序指令表

表4-1 控制程序指令表

MOV

SET

OUT

LDI

AND

SFTLP

SET

AND

RST

AND

SFTLP

SET

AND

RST

AND

ANI

INCP

M8002

K500

Y011

X000

T246

X001

T246

Y011

Y010

X001

T246

Y011

Y012

T246

X002

M8012

K1M0

Y010

AND

ANI

DECP

ANI

OUT

SET

PLF

RST

END

X003

M8012

X002

X003

X002

X003

M10

K480

第五章系统调试与故障排除及预期效果分析

5.1 初始化程序

程序开始运行时，D0设置初始值为K500，M1、M0、Y11置为ON。

5.2 步进电动机正转

按下X0，启动定时器T246，D0初始值K500作为定时器T246的设定值，当X1为OFF

时，T246每完成一次定时，就会按照M0的值形成正序脉冲序列101→011→110→101→

→011→110→...，即在T246的作用下最终形成101，011，110的三拍循环。

5.3 步进电动机反转

X1为ON时，T246每完成一次定时时，就会按照M0的值形成反序脉冲序列101→110→

011→101→110→011→...,即在T246的作用下最终形成101，110，011的三拍循环。

5.4 减速调整

X2为减速按钮。当按下X2时，定时器T246的设定值D0增加，即T246定时值增加，每

秒步数减小，于是步进电动机转速变小。

5.5 增速调整

X3为增速按钮。当按下X3时，定时器T246的设定值D0减小即T246定时值减小，每秒

步数增加，于是步进电动机转速变大。

注意：调速时，应按住X2（减速）或X3（增速）按钮，仔细观察D0的变化，当变化值

达到所需速度值时，释放按钮。

总结

这次毕业设计我做的是PLC控制步进电机正反转及调速的研究，文章根据传统步进电

机控制中的不足和缺点,将PLC直接控制技术运用于步进电机的控制.该系统解决了传统

控制技术中的各部分硬件的设计、选型、接口匹配往往要花费设计者很大的精力和劳动,

接口信号的匹配以及各器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大等缺点.根据PLC控

制步进电机的控制特点及其原理,把软件控制和硬件电路互相结合起来,形成整体的控

制,有效的克服了它们的缺点而发挥了它们的优势.本文详细阐述了该系统中PLC直接控

制步进电机的实现方法、系统的各部件的组成、各部件的连接情况。它是一种先进的工

业自动化设备，可广泛地在造纸、食品、包装以及其他轻工机械中得到应用。

致谢

实践是检验真理的唯一标准。通过本次毕业设计，使我们对平时所学的各科理论知

识有了更深更全面的理解，同时也提高了动手能力。因此要感谢学校提供的良好的实验

设备和学习环境以及校，系领导的关怀。特别要感谢导师李书舟老师在整个的毕业设计

过程中对我们的耐心尽责的辅导，以及各方面的鼓励支持。最后要感谢本组的所有成员

的共同努力和愉快合作！

参考文献

[1] 钱平主编.《交直调速系统》.第一版.北京：机械工业出版社.2002.

[2] 廖常初主编.《PLC编程及应用》. 第一版.北京：机械工业出版社.2006.

[3] 廖效果，《刘又午编著.数控技术》. 第一版.武汉：湖北科学技术出版社.2000.

[4] 霍彩萍主编.《PLC应用技术（三菱）》.第一版.北京：中国劳动社会保障出版社.2006

[5] 常初编著. 《FX系列PLC编程及应用》.第一版. 北京：机械工业出版社.2007.

[6] 坂本正文著.《步进电机应用技术》.第一版.北京:科技出版社.2010.

[7] 崔延著. 《组合机床与自动化加工技术》.第4版.浙江：浙江水利水电出版.2009.

[8] 蒙丽华.《PLC对步进电机的控制》.第一版.广西.大众科技出版.2009

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