基于PLC的步进电机控制系统设计

第２０卷第４期　２０１７年７月　西安文理学院学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖ０１．２Ｏ　Ｎｏ．４　Ｊｕ１．２０１７　文章编号：１００８－５５６４（２０１７）０４－００３９－０３　基于ＰＬＣ的步进电机控制系统设计　王雁博　（西安文理学院图书馆，西安７１００６５）　摘要：以ｓ７—２００ＰＬＣ为控制核心设计了一套步进电机控制系统，利用ｓ７—２００系列ＰＬＣ的高速　脉冲输出信号及方向信号对步进电机进行直接运动控制．给出了ＰＬＣ控制的Ｉ／０端子接线图和梯形图　程序．试验证明，采用该方案可以满足步进电动机的控制需要，对于相关行业或领域实现步进电机的精　确定位控制具有较好的应用与参考价值．　关键词：步进电机；ＰＬＣ；高速脉冲　中图分类号：ＴＮ４０２　文献标志码：Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｔｅｐ　Ｍｏｔｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＬＣ　ＷＡＮＧ　Ｙａｎ．ｂｏ　（Ｌｉｂｒａｒｙ，Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００６５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｓｔｅｐｐｉｎｇ　ｍｏｔｏｒ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｒｅ　ｏｆ　ｓ７－２００ＰＬＣ．Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｐｕｌｓｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｓｉｇｎａｌ　ａｎｄ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｆ￥７－２００　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ＰＬＣ，ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｍｏｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｅｐｐｅｒ　ｍｏｔｏｒ　ｉｓ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　ｏｆ　Ｉ／Ｏ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｗｉｒｉｎｇ　ｄｉａｇｒａｍ　ａｎｄ　ｌａｄｄｅｒ　ｄｉａｇｒａｍ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ＰＬＣ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ　ｏｕｔ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｎｅｅｄｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｅｐｐｅｒ　ｍｏｔｏｒ，ａｎｄ　ｈａｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｆｏｒ－　ｅｎｃｅ　ｖａｌｕｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｅｐｐｅｒ　ｍｏｔｏｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ　ｏｒ　ｉｅｌｄｓ．ｆ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｐｐｅｒ　ｍｏｔｏｒ；ＰＬＣ；ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｐｕｌｓｅ　步进电机是一种利用电磁铁的作用原理将电脉冲信号转换为角位移或线位移的电机，步进电机的　位移量与输入脉冲个数成正比，转速与输入的脉冲频率成正比，转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组　的相序有关，因此容易对其实现准确控制　Ｊ．由于积累误差为零，精度稳定，准确，因此步进电机广泛应　用于各类开环控制中．可编程序控制器（ＰＬＣ）是实现机电一体化的理想控制装置，它具有体积小、无噪　音、性能稳定、抗干扰能力强等优点，是为满足工业环境下的专业应用而设计的工业控制类计算机．它的　主要特点是使用方便、重量轻、编程简单易学，在工业控制领域得到了广泛的应用　．本文阐述了步进　电机增减速控制的原理，给出了用ＰＬＣ实现步进电机快速准确定位的方式．利用ＰＬＣ的高速脉冲输出　实现步进电机位置控制功能，给出了位置控制系统方案及设计思路，在一些工矿企业实现精确定位控制　收稿日期：２０１７－０３—１５　作者简介：王雁博（１９８０一），男，山东淄博人，西安文理学院图书馆工程师，硕士，主要从事计算机信息技术与应用　研究．　西安文理学院学报（自然科学版）　具有较高的应用与参考价值．　第２０卷　１系统控制要求　该控制系统主要是完成重物提升、下降功能．使用按钮对系统进行设定控制，以满足不同需求．系统　运行方式有两种：模式一是全程匀速运行；模式二是重物提升过程，先加速，然后是匀速运行，最后是减　速．步进电机运行主要由高速脉冲串（ＰＴＯ）控制，该高速脉冲信号亦可用于其他用途．系统控制的框图　如图１所示．　图１系统控制框图　２步进电机的ＰＬＣ控制原理　从步进电动机的工作原理及工作方式可以看出，要实现对步进电动机的控制就要产生符合要求的　脉冲．通过控制输入电机的脉冲顺序，从而实现步进电动机三相绕组供电的依次导通和关断，形成交变　的旋转磁场，完成电机的旋转运动　Ｊ．西门子公司生产的可编程控制器本身带有高速的脉冲计数器及　脉冲发生器，其产生的频率最大为１０　ｋＨｚ，能够满足步进电机的控制要求．要实现可编程控制器控制步　进电动机，需要满足以下两个要求：（１）ＰＬＣ的输出具有实时刷新技术，使得ＰＬＣ的脉冲输出信号频率　可以达到数ｋＨｚ甚至更高，以提高系统的响应速度，保证电机具有快速动态响应能力．（２）步进电动机　工作时脉冲电压可以达到几十伏、电流几安培，为了保证控制部分有足够的驱动能力，ＰＬＣ的输出要选　用大功率晶体管形式　．　３　ＰＬＣ控制系统的硬件设计　该控制系统选用西门子ＰＬＣＳ７—２２４作为控制器，ｓ７—２２４有１４个输入点，１Ｏ个输出口，两个　Ｏ／　ＰＷＭ输出端口（Ｑｏ．０、Ｑｏ．１）．系统采用“ＳＨ一２０４０２Ａ”步进电机驱动器，以及“４２ＨＳ０３”步进电机．系统有５　个输入控制按钮，分别控制系统运行模式（匀速运行和变速运行）、启动、停止、提升／下降．２个信号输出　端，步进电机运行速度控制信号输出和步进电机运行方向控制信号（即系统的提升／下降控制信号）．　３．１　ＰＬＣ输入输出点地址分配　ＰＬＣ供电使用ＡＣ２２０Ｖ单相工频交流电源．输入控制信号使用４个点触按钮和一个旋转开关组成，　按钮和开关公共端连接ＰＬＣ输出电源ＤＣ２４Ｖ．停止按钮接常闭触点，该触点断开时系统不能工作．输　入／输出点及地址分配见表１．　表１输入／输出点地址分配　３．２　ＰＬＣ硬件接线　根据控制系统的功能要求以及输入输出地址的分配，设计出西门子系列ＰＬＣ硬件接线图如图２所示　第４期　２４ｖ　ｏｖ　王雁博：基于ＰＬＣ的步进电机控制系统设计　４１　ＰＬＧ　ＣＰＵ２２４　ＳＨ２０４０２Ａ。．．．．．．．．—．４２ＨＳ０３　ＳＢ１　１ｌＭ　０．１Ｌ　Ｑ０．０　Ｑ０．１　ＰＵＩ　Ｑ０．２　Ｑ０３　．０　Ａ．　Ａ＋　一一一一　；；　电机　Ｂ＋　ＳＢ２　ｒＴ１　１０．１　ＳＢ３　ｒ－ｐ　Ｊ—　ＳＢ４　Ｂ．　１０．２　ＤＩＲ　ＤＣ＋　－－－－－－－－－——２４ｖ　ＤＣ一　—————　＿－　１０－３　－－－－・－－－－－——０Ｖ　图２　ＰＬＣ硬件接线图　４　ＰＬＣ控制系统的程序设计　西门子公司ｓ７—２００系列可编程控制器的ＰＴＯ／ＰＷＭ发生器和输出过程映象寄存器共同使用输出　点Ｑｏ．０和ＱＯ．１，但一个位输出端在某一时刻只能使用一种功能．当ＱＯ．０或Ｑｏ．１使用ＰＴＯ功能时，　ＰＴＯ发生器对Ｑｏ．０或Ｑｏ．１具有控制权，此时普通输出点的功能被禁止．这时输出过程映象区状态不　能影响Ｑｏ．Ｏ／ＱＯ．１的输出波形，首先给定脉冲周期和脉冲个数，ＰＴＯ功能将输出一串占空比为５０％的　方波．ＰＴＯ方式中，可输出多个脉冲串，而且还允许脉冲串排队，形成管线，根据管线的实现方式分为两　种，单段管线和多端管线．ＰＴＯ在使用时，需确定工作模式、设置控制字、写入周期值和脉冲数、设置中断　事件并开中断．该系统ＰＴＯ输出端选用ＱＯ．０端口．　步进电机变速运行方式分为３段．第一段加速启动阶段，启动脉冲周期为１　１００　ｓ，输出８００脉冲　周期达到３００　ｔｘｓ进入第二阶段．第二阶段匀速运行阶段，步进电机保持匀速运转，输出１２　６００个脉冲，　周期为３００　ｓ．第三阶段减速阶段，输出８００个脉冲，该阶段第一个脉冲周期由３００　ｔｘｓ开始，直至最后　一个脉冲输出其周期增加至１　１００　Ｉ．Ｌｓ，电机停止运行．　主程序运行使用按钮１０．０／１０．１可选择运行方式初始化，ＳＢＲ＿０匀速运行初始化，ＳＢＲ一１变速运行　初始化．１０．２启动运行，允许ＰＬＳ输出．１０．３紧急制动，ＳＭ６７．７复位（此位为１允许ＰＴＯ输出，此位为０　禁止ＰＴＯ输出），允许ＰＬＳ输出．１０．４步进电机方向选择，ＱＯ．２高电平控制步进电机正转，低电平控制　步进电机反转．匀速运行程序设置单段线管ＦＦＯ输出，周期单位基数　ｓ，周期为７００　ｔｘｓ，脉冲数１４　２００．　变速运行程序设置多段线管ｔｒＩ＇Ｏ输出，该多段ＰＴＯ脉冲参数存储位置首地址为ＶＢ５００，允许中断，中断　事件１９号．　５　结语　利用ＰＬＣ实现步进电机的控制，通过方便的参数调整，便可对步进电机的各种速度需求进行连续　的控制，而且不受步进电机的相数限制，在设计方法上简单易行，提高了控制系统的柔性和可靠性．经验　证明，本文所提出的应用西门子公司ｓ７—２００系列可编程控制器控制步进电机实现准确快速定位的方　法是行之有效的．在包装、印刷业、数控机床等需要使用步进电机实现精确定位控制的行业或领域中，有　较好的参考价值和实用意义．　［参考文献］　［１］　陈小江．基于西门子ｓ７—２００ＰＬＣ驱动控制步进电机的设计及应用［Ｊ］．内蒙古科技与经济，２０１６，４（７）：１１３—１１４・　［２］　廖常初．ＰＬＣ编程及应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１４．　［３］　黄金磊，赵毅飞，李岩．基于可编程序控制器的步进电动机驱动方法研究与设计［Ｊ］．微特电机，２０１５，４３（１２）：８１—　８４．　［４］　王永华．现代电气控制及ＰＬＣ应用技术［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００５．　［责任编辑仲圆］