摘 要：步進電機是一種基于脈沖控制的電氣元件。文章介紹了西門子S7-200在步進電機控制方面的應用。另外，該控制系統(tǒng)還具有人機對話功能和較高的性能價格比。 關鍵詞：PLC 脈沖控制 人機對話 步進電機

The control of step motor based on PLC

Abstract: The step motor is one kind of electrical element basing on the pulse control. The paper introduced the application of Simens S7-200 controlling the step motor . Moreover, this control system has the man-machine conversation function and higher performance price ratio. Key words: PLC Pulse control Man-machine conversation Step Motor 0.前言 　　步進電機是將電脈沖信號轉化為角位移或線位移的控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、位移只取決于脈沖的頻率和脈沖的個數(shù)，而不受負載變化的影響。即給電機加上一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無積累誤差的特點。使步進電機可以對旋轉角度和轉動速度進行精確控制。在速度、位置等控制領域使用步進電機最為理想。伴隨著數(shù)字化技術的發(fā)展以及步進電機技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。本文將介紹一種基于PLC脈沖的步進電機控制系統(tǒng)。 1. 控制系統(tǒng)的結構框圖 　　步進電機控制系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。主要由人機界面、PLC控制器、步進電機驅動器及步進電機組成。 [align=center] 圖1[/align] 　　由于步進電機本身的結構特性決定了它要實現(xiàn)高速運轉必須有加速過程。如果啟動時突然加載高頻脈沖，電機會產生嘯叫、失步、甚至不能啟動。在停止階段也是這樣的，當高頻突降到零時，電機也會產生嘯叫和振動。所以在加速和停止時，都必須有一個加速和減速階段[1]。在本文中 ，具體為：首先控制步進電機，使之穩(wěn)步啟動，然后高速運動（電機正常工作時的速度），到達指定位置，減速之后低速運行一段時間，然后停止。后退過程同與前進過程相同，電機工作過程如圖2所示： [align=center] 圖2[/align] 2. 系統(tǒng)的軟件設計 　　根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示：主要包括主程序，子程序。 　　主程序完成的主要功能有：在通電開始，先將輸出口初始化置零，設定電機的轉向，調用子程序完成步進電機的前進和后退控制，電機的啟動和停止控制。 　　子程序主要完成高速脈沖串輸出的參數(shù)及網(wǎng)絡表的設置。 [align=center] 圖3[/align] 　　步進電機采用自動升降的方式，即步進電機先在低頻下啟動，然后逐漸升至運行頻率。當電機停止時，先將脈沖信號的頻率降至啟動頻率以下，在停止輸出脈沖。步進電機才能不失步地停止。步進電機在小于極限啟動頻率下正常啟動后，控制脈沖在緩慢升高即可正常運行[3]。電機脈沖特性如圖4 [align=center] 圖4[/align] 3. 步進電機及驅動器 　　步進電機是該系統(tǒng)的執(zhí)行機構，它的精度影響整個系統(tǒng)的控制精度。選用電機時應滿足系統(tǒng)的功能要求。同時根據(jù)電機參數(shù)計算所選PLC的脈沖輸出頻率是否滿足步進電機的要求。 　　控制系統(tǒng)中PLC用來產生控制脈沖;通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進電機的轉角進而控制伺服機構的進給量;同時通過編程控制脈沖頻率——既伺服機構的進給速度;環(huán)行脈沖分配器將可編程控制器輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應的繞組。采用硬件環(huán)行分配器，雖然硬件結構稍微復雜些，但可以節(jié)省占用PLC的I/O口點數(shù)，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅動器將PLC輸出的控制脈沖放大到幾十～上百伏特、幾安～十幾安的驅動能力。一般PLC的輸出接口具有一定的驅動能力，而通常的晶體管直流輸出接口的負載能力僅為十幾～幾十伏特、幾十～幾百毫安。但對于功率步進電機則要求幾十～上百伏特、幾安～十幾安的驅動能力，因此應該采用驅動器對輸出脈沖進行放大。進給方向控制即步進電機的轉向控制。步進電機的轉向可以通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變其轉向;如三相步進電機通電順序為A-AB-B-BC-C-CA-A…時步進電機正轉;當繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A…順序通電時步進電機反轉。因此可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序來實現(xiàn)，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進電機繞組的通電順序實現(xiàn)[4]。 　　由步進電機的工作原理和特性可知步進電機的總轉角正比于所輸入的控制脈沖個數(shù);因此可以根據(jù)伺服機構的位移量確定PLC輸出的脈沖個數(shù)： 　　 （1） 　　式中 D[sub]l[/sub]——伺服機構的位移量（mm）; 　　d——伺服機構的脈沖當量（mm/脈沖） 　　伺服機構的進給速度取決于步進電機的轉速，而步進電機的轉速取決于輸入的脈沖頻率;因此可以根據(jù)該工序要求的進給速度,確定其PLC輸出的脈沖頻率: 　　 （2） 　　式中 V[sub]f[/sub]——伺服機構的進給速度（mm/min） 4. 人機界面 　　利用s7-200的PPI的通訊協(xié)議，可對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控[2]。由PC機發(fā)出控制命令對電機進行啟動、停止、正反轉的控制。當系統(tǒng)運行時，利用軟件程序，將脈沖頻率轉化為速度、脈沖個數(shù)轉化為距離發(fā)送到PC機上并顯示出來，進行速度、位移的監(jiān)視。 5. 結束語 　　將PLC控制的開環(huán)伺服機構用于某大型生產線的數(shù)控滑臺，其脈沖當量為0.01～0.05mm,進給速度為V[sub]f[/sub]=3～15m/min,完全滿足工藝要求和加工精度要求[4]。證明將PLC脈沖控制步進電機技術應用于中、小功率牽引設備中，具有控制簡單、穩(wěn)定、成本低等特點，是一種切實可行的電氣控制方案。如果在系統(tǒng)中加上保護電路及防干擾措施，還可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 參考文獻： 　　[1] 戴金燦.西門子s7-200系列PLC應用于開發(fā)[M].中國水利水電出版社.2007年. 　　[2] 鄧星鐘.機電傳動控制（第四版） [M].華中科技大學出版社.2007年. 　　[3] E20001-H5400-C400-V2-5D00.s7-200中文系統(tǒng)手冊.2002年. H31—H36­­ 　　[4] 管麗娜、邵強.步進電機的PLC直接控制 [J].大連民族學院學報. 2004年01期.45-47