范長青

摘 要：文章介紹利用西門子S7-200 SMART PLC輸出的高速脈沖輸出信號及方向信號來控制步進(jìn)電機驅(qū)動器，從而驅(qū)動步進(jìn)電機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)精確定位、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、急停、位置歸零等功能。這種控制方式簡單易行，成本比較低，精度較高。

關(guān)鍵詞：PLC；步進(jìn)電機；位置控制；運動控制

PLC作為新型的電控裝置，由于具有可靠性高、通用性好、環(huán)境適應(yīng)性好、抗干擾能力強、接線簡單、編程簡單易學(xué)和體積小等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、機械制造等各行各業(yè)。步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無累積誤差，并且控制精度穩(wěn)定、準(zhǔn)確，步進(jìn)電機已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類開環(huán)控制中[1]。本文利用西門子S7-200 SMART系列ST30的高速脈沖輸出實現(xiàn)步進(jìn)電機位置控制功能，給出了位置控制系統(tǒng)設(shè)計方案，實驗表明能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位控制。

1 控制原理

步進(jìn)電機是用電脈沖信號進(jìn)行控制的，每輸入一個脈沖信號，輸出軸便轉(zhuǎn)動一定的角度或前進(jìn)一步。步進(jìn)電機輸出軸的角位移量與輸入脈沖成正比，控制輸入的脈沖數(shù)就能準(zhǔn)確地控制輸出的角位移量，精準(zhǔn)地定位。步進(jìn)電機輸出軸的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比，控制輸入的脈沖頻率就能準(zhǔn)確地控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速。改變控制繞組的通電順序，步進(jìn)電機就能反轉(zhuǎn)。因此，可以通過控制輸出脈沖數(shù)量、頻率和控制繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動。

本系統(tǒng)是利用西門子S7-200 SMART自帶的脈沖發(fā)生器向步進(jìn)電機發(fā)出脈沖信號和方向控制信號，并通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電機驅(qū)動器的撥碼開關(guān)實現(xiàn)脈沖頻率變化，以此來控制電機的速度變化。這種方法可以實現(xiàn)步進(jìn)電機的正轉(zhuǎn)控制和反轉(zhuǎn)控制，可實現(xiàn)在運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，正向或反向的切換；在停止?fàn)顟B(tài)下，可正向或反向啟動電機；在運轉(zhuǎn)中實時改變旋轉(zhuǎn)速度大小，并且可以實現(xiàn)低速運轉(zhuǎn)[2-3]。步進(jìn)電機控制系統(tǒng)框如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本控制系統(tǒng)選用西門子S7-200 SMART系列的ST30 PLC作為控制器，S7-200 SMART系列的ST 30 PLC有18個輸入點，12個輸出口，兩個PTO /PWM 輸出端口（Q0.0，Q0.1）。系統(tǒng)有3個輸入控制按鈕，分別控制系統(tǒng)正轉(zhuǎn)啟動、反轉(zhuǎn)啟動和停止。有2個信號輸出端，分別是步進(jìn)電機運行速度控制信號和步進(jìn)電機運行方向控制信號。步進(jìn)電機選用42BYGH60，其步距角為1.8°，步進(jìn)驅(qū)動器的型號為TB6600升級版，有6個DIP開關(guān)，S1-S3用于選擇7檔細(xì)分控制（1，2/A，2/B，4，8，16，32），通過S4-S6 3位撥碼開關(guān)選擇6檔電流控制（0.5 A，1 A，1.5 A，2.0 A，2.5 A，2.8 A，3.0 A，3.5 A），絲杠的螺距為4 mm。

2.1 PLC輸入輸出點地址分配

PLC供電使用AC220V單相工頻交流電源，輸入控制信號使用3個點觸按鈕，按鈕和開關(guān)公共端連接PLC輸出電源DC24V，停止按鈕接常閉觸點，該觸點斷開時系統(tǒng)不能工作[4]。輸入/輸出點及地址分配如表1所示。

2.2 PLC硬件接線

根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求以及輸入輸出地址的分配，設(shè)計出西門子系列PLC控制步進(jìn)電機的硬件接線圖如圖2 所示。

3 軟件設(shè)計及功能

采用高速脈沖輸出指令來控制步進(jìn)電機，利用西門子S7-200 SMART系列ST30的Q0.0輸出高速脈沖，Q0.2控制運動的方向。關(guān)于PLS（脈沖）指令，S7-200 SMART CPU使用SMB66-SMB85，SMB166-SMB169和SMB176-SMB179來監(jiān)視與控制脈沖串輸出PT00，PT01和脈寬調(diào)制輸出PWM0，PWM1；SMB566-SMB579用來監(jiān)視與控制脈沖串輸出PT02及脈寬調(diào)制輸出PWM2。絲杠螺距為4 mm，驅(qū)動器設(shè)置800個脈沖轉(zhuǎn)一圈，所以用包絡(luò)表來控制位移量和運行方向。高度脈沖程序如圖3所示。

4 HMI面板設(shè)計

本系統(tǒng)的上位機選用昆侖通態(tài)TPC7062K的觸摸屏，通過界面的按鈕操作可以實現(xiàn)步進(jìn)電機的正轉(zhuǎn)啟動、反轉(zhuǎn)啟動、急停和位置回零等功能，并顯示步進(jìn)電機的運轉(zhuǎn)速度、運行距離和通信測試的狀態(tài)。昆侖通態(tài)TPC7062K觸摸屏界面如圖4所示。

5 結(jié)語

步進(jìn)電機的控制方法非常簡單，可以用指令控制，也可以用向?qū)砜刂?。步進(jìn)電機本身精度穩(wěn)定、準(zhǔn)確，配合驅(qū)動器的細(xì)分設(shè)置可達(dá)到更高的精度，因此，廣泛應(yīng)用于各類開環(huán)控制中。本系統(tǒng)利用西門子S7-200 SMART系列ST30的高速脈沖輸出實現(xiàn)步進(jìn)電機位置控制功能，給出了位置控制系統(tǒng)設(shè)計方案，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低等優(yōu)點，在一些工礦企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]楊友進(jìn)，王卓君.基于S7-200SMART的步進(jìn)電機控制研究[J].電工技術(shù)，2018（12）：23-24.

[2]廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].4版.北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[3]王雁博.基于PLC的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].西安文理學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2017（4）：40-41.

[4]章祥煒.觸摸屏應(yīng)用技術(shù)從入門到精通[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.