基于PLC的步进电机控制技术

《自动化技术与应用》２００６年第２５卷第ｌｏ期ＰＬＣ与ＤＣＳＰＬＣａｎｄＤＣＳ基于ＰＬＣ的步进电机控制技术江华生ｔ一．李鸣－。

高素萍２。

闫杰３．梁澄波３（１．南昌大学环境科学与工程学院，江西南昌３３００２９；２．深圳职业技术学院，广东深圳５１８０５５；３．深圳出入境检验检疫局，广东深圳５１８０４５）摘篓：详细讨论步进电机的工作原理及特性和基于ＰＬｃ的运动控制技术，论述了步进电机的ＰＬｃ控制系统的设计方案及其控制原理和配置，重点阐述了西门子运动控制模块ＥＭ２５３实现对步进电机的控制方法及其应用，并对应用程序的创建作了详细的．＿一．、．．豫述ｉｏ关键褥ｉ步迸龟枫ｌＰＬＣＥＭ２５３中豳分类垮：室酗５雏．６Ｌ■文献标识码：Ｂ文章编号：ｌ００３—７２４１（２００６）１０一００５４一０４ＴｈｅＰＬＣ—ＢａＳｅｄＣｏｎｔｒＯＩＯｆＳｔｅｐＭＯｔＯｒＪＩＡＮＧＨｕａ－ｓｈｅｎ９１，＿，ＬＩＭｉｎ９１，ＧＡＯＳｕ－ｐｉｎ９２，ＹＡＮＪｉｅ３，ＬＩＡＮＧＤｅｎｇ－ｂ０３（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎＶ的ｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａ１１ｄＥｎｇｉｎｅ甜ｎｇ，ＮａｌｌｃｈａｎｇＵＩｌｉＶｅｒｓｉｔ），，ＮａＪｌｃｈａｎｇ３３００２９，Ｃ量ｌｉｎａ；２．ＳｈｅｎｚｈｅｎＰ０１ｙ酬嘲ｃＵ１１ｉＶｅｒｓｉ够，ＳｈｅｌｌＺｌｌｅｎ５１８０５５，Ｃｈｉｎａ；３．ＳｈｅｎｚｈｅｎＥｎ廿ｙ—Ｅ）【ｉｔＩＩｌｓｐｅｃｔｉｏｎａｌｌｄＱｕ戤ｍｔｉＩｌｅＢｕｒｅａｕ，ＳｈｅＩｌＺｈｅｎ５１８０４５，Ｃｍｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｔｅｐｍｏｔｏｒａｎｄｔｈｅｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒ０１ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂａｓｅｄｏｎＰＬＣ．ＴｈｅＳｉｅｍｅｎｓｍｏｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅＥＭ２５３ａｎｄｍｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｏｆｔｈｅｍｏｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｐ埘【ｏｔｏｒ；ＰＬＣ；ＥＭ２５３１引言步进电机由于具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，已成为运动控制领域的主要执行元件之一。

步进电机是机电一体化的关键产品，广泛应用在各种自动化控制系统和机电一体化设备中。

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，在各个行业的控制领域都将有广泛应用。

ＰＬＣ作为一种工业控制计算机，具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等性能，是目前广泛应用的控制装置之一。

ＰＬＣ对步进电机也具有良好的控制能力，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，即可实现对步进电机的控制。

西门子Ｓ７—２００系列ＰＬＣ即具有上述功能，结构紧凑，配置灵活，功能强大，扩展模块丰富，具有极高的性价比。

该系列具有４个不同基本类型的ＣＰＵ可供选择，每种类型都集成了２路高速脉冲输出，脉冲频率可达２０—１００ｋＨｚ。

ＥＭ２５３是Ｓ７—２００系列ＰＬＣ用于运动控制的扩展模块，不同ＣＰＵ所能扩展的模块数收稿日期：２００６—０６一Ｏ５量也不尽相同，其中，ＣＰＵ２２２扩展１个，ＣＰＵ２２４／２２４ｘＰ扩展３个，ＣＰＵ２２６扩展５个。

２工作原理及特性步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的执行机构。

由于受脉冲的控制，其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，通过控制脉冲数量来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；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；通过改变通电顺序，从而达到改变电机旋转方向的目的。

步进电机的种类很多，按结构可以分为反应式、永磁式及混合式步进电机三类，按相数分则可以分为单相、两相和多相三种。

步进电机的特点【ｌＪ：（１）步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，电机运转一周后没有累积误差，具有良好的跟随性。

（２）由步进电机与驱动器电路组成的开环数字控制系统，既ＰＬＣ与ＤＣＳＰＬＣａｎｄＤＣＳ《自动化技术与应用》２００６年第２５卷第１０期非常简单、廉价，又非常可靠。

同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统。

（３）步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。

（４）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩。

（５）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。

（６）步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。

（７）步进电饥自身的噪声和振动较大，带瞬胜负载的能力较差。

３控制原理步进电机的控制和驱动方法很多，按照使用的控制装置可分为：普通集成电路控制、单片机控制、工控机控制、ＰＬＣ控制等几种；按照控制结构可分为：硬脉冲生成器硬脉冲分配结构、软脉冲生成器软脉冲分配器结构、软脉冲生成器硬脉冲分配器结构眺６］。

由于步进电机具有无累积误差、跟踪性能好的优点，步进电机的控制以组成开环控制系统居多，基于ＰＬＣ的步进电机典型控制方案其系统结构如图１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。

控制面板作为人机交互界面，通过与ＰＬＣ的通信ｉ实现操作监控功能，可以是传统的按钮、拨键、开关、指示灯、仪表通过硬接线组成的操作面板，也可以是个人计算机或者是新型的触摸屏；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。

在有些要求手动盘车功能的步进电机控制系统中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴，就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１控制系统结构框图硬件配置原则：（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眭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，应根据控制要求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。

控制原则：步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”；与此类似，“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。

而电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应。

有了这些数据，就能有效地对步进电机进行变速控制。

采用ＰＬＣ控制步进电机，应根据下式计算系统的脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量，进而选择ＰＬＣ及其相应的功能模块。

根据脉冲频率可以确定ＰＬＣ高速脉冲输出时需要的频率，根据脉冲数量可以确定ＰＬＣ的位宽【引。

脉冲当量＝苎塑蒌豢蓦警脉冲频率上限＝塑型幽塑譬蒿喾掣最大脉冲数量＝篁型些堡篙篙翟笋４功能实现４．１系统配置系统中ＰＬＣ选用西门子ｓ７２００系列的ｃＰＵ２２４ｘＰ，直流２４、ｒ洪电，直流数字量输入，晶体管直流电路输出类型。

该ＰＬＣ具有１４个数字量输入点、１０个数字量输出点、２个模拟量输入氧、１个模拟量输出点；扩展１个位控模块ＥＭ２５３，２４ＶＤＣ电源，并通过扩展电缆与ＣＰＵ２２４ＸＰ相连。

电机采用北京和利时电机技术有限公司的二相混合式步进电机８６ＢＹＧ２５０ＢＮ，步距角为１．８。

，具有定位准确，转速范围大，分辨率高，低速运行平稳，功耗低等优点。

驱动器采用与该步进电机相匹配的ＳＨ一２０８０６ＮＤＡ，该驱动器具备脱机、错相保护功能，并具有整步、２、４、８、１６、３２、６４细分模式可供选择，输出相电流可以通过驱动器上相应拨码开关进行设定。

本系统选择３２细分，相电流设定为４Ａ。

西门子ＳＴＥＰ７一Ｍｉｃｍ／ｗＩＮ３２是一种基于Ｗ砌ｏｗｓ操作系统环境下的编程软件，它支持梯形图、语句表、功能块图等三种编程语言；提供了两套指令集，一套符合ＩＥＣｌｌ３卜３标准，另一套是ＳＩＭＡＴＩＣ指令集。

为了方便用户编程更加方便快捷，软件提供了状态图表用于监视、调试程序以及在线编辑程序等功能。

４．２ＥＨ２５３ＥＭ２５３位控模块是Ｓ７—２００系列ＰＬＣ的扩展功能模块，属《自动化技术与应用》２００６年第２５卷第１０期ＰＬＣ与ＤＣＳＰＬＣａｎｄＤＣＳ于漏型晶体管输出，脉冲频率高达２００ｋＨｚ，它能够产生脉冲串用于步进电机和伺服电机的速度和位置的开环控制。

ＥＭ２５３与Ｓ７—２００系列ＰＬＣ通过扩展的Ｉ／０总线通讯，带有９个数字输入／输出点（４Ｉ，见表ｌ。

ＥＭ２５３能够产生移动控制所需的脉冲串，其组态信息存储在Ｓ７２００的Ｖ存储区中，在输出的过程映像区的Ｑ区保留８位作为位控模块的接口。

当需要更换位控模块时不必重新组态和编程。

表１位控模块ＥＨ２５３Ｉ／Ｏ功能表序号辅入，辅出符号功能说鲷ＳＴＥＰ７Ｍｉｃｒｏ／ｗＩＮ提供一个位控向导，可生成组态／包络表和位控指令，很方便地组态位控模块。

作为智能单元，位控向导能够自动读取到该模块的配置位置。

此外，还提供了一个ＥＭ２５３控制面板，通过“操作窗口、配置参数窗口和诊断错误窗口”，可以方便地测试、操作和监视位控模块的工作状态，验证控制系统接线是否正确，调整配置运动控制参数，测试每一个预定义的运动轨迹包络。

４．３程序创建创建位控模块程序时，一般按照组态位控模块、测试位控模块的操作、创建应用程序、编译下载程序等步骤进行。

要进行速度和位置控制，必须为ＥＭ２５３创建组态／包络表，即对ＥＭ２５３进行组态。

组态时，根据控制系统的硬件配置和控制要求、按位控向导的组态步骤即可完成此创建。

组态内容包括选择测量系统、配置模块输入响应、指定电机速度、设置手动参数、设置加速和减速时间、设置跳动时间参数、配置参考点、定义移动包络等，其中指定电机速度时应参考如图２所示的电机力矩与速度曲线【５Ｉ。

图２电机力矩与速度曲线针对本系统的硬件配置，要求对步进电机实现可控制的正向与反向定位控制、限定最大与最小速度的控制，响应速度为１秒，具有急停等功能，根据电机与驱动器的细分倍数计算出电机旋转一周需要６４００个脉冲信号，产生５ｍｍ位移。

完成如下组态内容：（１）测量类型选择工程量，以毫米（ｍｍ）为单位；（２）电机旋转一周需要６４００个脉冲数，产生５ｍｍ位移；（３）激活等级设为高；（４）滤波时间设为默认值；（５）脉冲极性指定为负极，ＰＴ０＋表示脉冲输出，ＰＴ０表示方向；（６）模块对物理输入的响应选择缺省；（７）最大速度设置为２０ｍｍ／ｓ，最小速度２ｍｍ／ｓ，启动／停止速度３ｍｍ／ｓ，最大拖动速度３ｍＩｎ／ｓ；（８）拖动命令能够移动的距离为１ｍｍ；（９）加速时间１０００Ｉｎｓ，减速时问１０００ｍｓ，急停时问０；（１０）配置参考点快速查找速度１３ｍｍ／ｓ，参考点逼近速度３ｍｍ／ｓ，参考点查找起始方向、最后逼近方向分别为负向、正向，参考点搜索序列选择１类。