1 引言 PLC 是廣泛應用于工業自動化領域的控制器 , PLC 及其有關 的設備 ,都按易于與工業控制系統連成一個整體、易于擴充功能的 原則而設計。現在 ,PLC 功能得到了很大的擴充和完善 ,比如為了 配合步進電機的控制 ,許多 PLC 都內置了脈沖輸出功能 ,并設置了 相應的控制指令 ,可以很好地對步進電機進行控制 ,實現和其它設 備的通信等。本文用 SIEMENS 公司 CPU226 晶體管輸出型 PLC 控制步進電機。 2 步進電機的控制方法 步進電機控制方法框圖如圖 1 所示?？刂品桨甘峭ㄟ^上位機 設定參數 ,利用 S7 - 200PLC 的高速脈沖輸出功能輸出脈沖信號 , 送給大功率管組成的驅動電路 ,經過驅動器去控制步進電機實現 位置控制。其中本文中的 PLC 為西門子公司的 CPU226DC/ DC/ DC、驅動器為某公司的 SH - 20403 兩相混合式步進電機細分驅動 器、步進電機為 42B YG250B 型 ,步距角 1. 8°。

3 PLC 對步進電機的速度控制及定位 步進電機在啟動和停止時有一個加速及減速過程 ,且加速度 越小則沖擊越小 ,動作越平穩。所以 ,步進電機工作時一般要經歷 這樣 —個變化過程 :加速 →恒速 (高速) →減速 →恒速 (低速) →停 止。步進電機轉速與脈沖頻率成正比 ,所以輸入步進電機的脈沖 頻率也要經過一個類似變化過程。如果步進電機啟動加速時速度 太慢 ,由于驅動力不夠導致小車運動不起來 ;相反 ,若啟動速度過 大 ,又會造成機器的磨損程度增加同時噪音也很大 ,因此恰倒好處 的設置啟動曲線段的初始周期及脈沖數尤為重要 ,才能使整個小 車的穩定性得到提高。

PLC 對步進電機的速度控制有 3 個方面 :一是對步進電機運 行脈沖頻率的控制 ;二是對步進電機啟動、停止時加減速的控制 ; 三是對運轉脈沖數目的控制。 西門子 PLC 的組態軟件 STEP 7 ———Micro/ WIN 提供了位置 控制向導可以幫助我們在幾分鐘內全部完成 PTO、PWM 或位控 模塊的組態。該向導可以生成位控指令 ,可以用這些指令在應用 程序中對速度和位置進行動態控制。S7 —200PLC 提供了脈沖串 輸出功能 PTO (Pulse Train Output) ,可以輸出兩路Zui高 20 KHz 的 脈沖序列 ,脈沖周期和脈沖個數由用戶編程設定。不僅如此 ,S7 — 200PLC 指令集中還提供了兩種脈沖輸入方式供應程度選擇 :單段 管線的 PTO 輸出和多段線的 PTO 輸出。單段管線 PTO 僅支持 一段自定義周期和脈沖個數的脈沖串輸出 ;而多段線 PTO 相當于 多個單段 PTO 無縫連接在一起輸出 ,并且允許單段內的脈沖周期 恒增量(或恒減量)變化。PTO 功能極大的方便了步進電機控制領 域的應用 ,特別是在非常簡單流暢 ,系統抗干擾性能好 ,運行穩定。 1) 操作模式 使用 STEP 7 ———Micro/ WIN 位置控制向導 ,為線性脈沖串輸出 (PTO)操作組態一個內置輸出。選擇 Q0. 0 或 Q0. 1 ,組態作為 PTO 的 輸出。在位置控制向導對話框中選擇“配置 S7 - 200 PLC 內置 PTO/ PWM 操作”,從下拉對話框中選擇“線性脈沖串輸出(PTO)”。 2) 參數設定 電機啟動/ 停止速度 (SS_SPEED) :輸入該數值滿足應用的電 機在低速時驅動負載的能力 ,如果 SS_SPEED 的數值過低 ,電機和 負載在運動的開始和結束時可能會搖擺或顫動。如果 SS_SPEED 的數值過高 ,電機會在啟動時丟失脈沖 ,并且負載在試圖停止時會 使電機超速。在此設為 100。 在該系統中 ,小車主要是在電機勻速轉動時工作的 ,所以加速與 減速時間越小越有利于小車的起停工作 ,但是時間太小會影響步進電 機的使用壽命 ,在此加速時間設為 1000ms ,減速時間設為 200ms。 在該系統中 ,我們希望的第一步 (步 0) 目標速度為 1100 (介于 MAX_SPEED 和 MIN_SPEED 之間) 。假設α為步進電機一步轉過的 角度θ, 為步進電機總共需要轉的角度ψ, 為步進電機需要的總脈沖數 , φ為車輪總共轉過的角度 ,n 為減速箱的傳動比 ,于是計算包絡總位移 (即步進電機需要的總脈沖數)的公式為:ψ=θ/α= nφ/α (1) 由于小車從 A 點到B 點(如圖 2 所示) ,車輪應轉 30 圈 ,即 10800°。 在該系統中α, = 1. 8°,n = 1 ,因此由公式(1)可以推出ψ= 6000。 創建包絡中的一個步是工件運動的一個固定距離 ,包括加速和 減速時間內的距離。在小車控制系統中有的需要中間變速度 ,使小 車行走更平滑、噪音小 ,所以需要建立多個包絡和多個步 ,即將總的 脈沖數分為多個步。Zui后繪制的電機運動包絡如圖 3 所示。 4 程序實現 脈沖輸出向導將根據所選的配置生成項目組件 ,主要有子程 序 PTOx_CTRL 、PTOx_RUN、PTOx_MAN、PTOx_LDPOS、PTOx_ADV。通過創建五個唯一的指令子程序 ,位控向導使得控制內置 PTO 更加容易。編程調用 PTO0_CTRL 子程序(控制)使能和初始 化用于步進電機或伺服電機的 PTO 輸出 ;調用 PPTO0_RUN 子程 序(運行包絡)命令 PLC 在一個指定的包絡中執行運動操作 ,此包 絡存儲在組態/ 包絡表中。如圖 4 所示。

步進電機的控制以開環控制居多 ,如果用旋轉編碼器做速度或 位置反饋 ,結合 PLC 的高速脈沖計數功能就可以實現閉環控制。 由于現今的 PLC 指令速度越來越快 ,用微小型 PLC 就能構成 各種的步進電機控制系統 ,具有控制簡單、運行穩定、開發周期短 等優點 ,基于模塊化思想的軟硬件設計 ,使得系統更易于調試和維 護 ,是一種切實可行的步進電機控制方案。