淺議西門子PLC對大量步進電動機控制應用

1、淺議西門子plc對大量步進電動機控制應用【摘要】西門子plc具有可靠性高、功能強大、 使用方便、編程簡單、抗干擾強等優(yōu)點，在工業(yè)控制領域得 到了廣泛應用。本文詳細介紹了西門子plc對大量步進電機 的控制方法和編程技術，實現(xiàn)了西門子plc對大量步進電機 的控制和與主控系統(tǒng)進行高效率通信的功能。在實驗的基礎 上驗證了該方案的可行性，并且并給出了硬件連接示例和完 整的軟件程序?！娟P鍵詞】步進電機；軟件程序；西門子；plc中圖分類號：tm3文獻標識碼：a步進電動機是控制系統(tǒng)中的執(zhí)行單元，是一種利用電脈 沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成相應的角位移或直 線位移的執(zhí)行電機。由于計算機技術的發(fā)展，使得步

2、進電動 機獲得了廣泛的應用和普及，特別是數(shù)控機床、計算機外圍 設備、鐘表、數(shù)字控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)以及許多航天工 業(yè)裝置中得到應用。隨著步進伺服驅動控制技術的發(fā)展，步 進伺服驅動細分精度的提高以及電力電子器件的發(fā)展，逐步 克服了震蕩、失步和發(fā)熱的不足，性價比大幅度提升，廣泛 應用于工業(yè)機械精密定位的控制。當前用于工業(yè)控制的計算 機控制系統(tǒng)主要有：plc控制系統(tǒng)、基于pc總線的工業(yè)控制 計算機（ipc）系統(tǒng)、基于單片機的測控系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)dcs)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(fcs)o而其中的plc因為穩(wěn)定可靠、結構簡單、成本低廉、簡單易學、功能強大和使用方便已經(jīng)成為應用面最廣、最廣泛的通用工業(yè)控制

3、裝置，成 為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。但對于大量的步進電 機，由于數(shù)量多，時序相對復雜，這使得控制難度增大。、工作性能及原理步進電動機是用電脈沖信號進行控制一種的計算機，并 將電脈沖信號轉換成相應的線位移或角位移的執(zhí)行要塞。因 為受到脈沖的控制，通過控制脈沖數(shù)量來控制角位移量以及 其轉子的角位移量和速度嚴格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖 頻率成正比，從而達到目標準確定位?？刂齐姍C轉動的速度 和加速度主要是通過控制脈沖頻率來控制的，這樣才能達到 調速的目的；要想達到改變電機旋轉方向的目的，只有通過 改變通電順序來實現(xiàn)。步進電機主要是按結構可以分為反應 式、永磁式及混合式步進電機來分類的，也可以按相

4、數(shù)分類, 分別為單相、兩相和多相三種。1.1步進電機的優(yōu)點(1) 步進電機的輸入脈沖數(shù)與角位移嚴格成正比，電 機運轉一周后沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。(2) 由步驅動器電路與進電機組成的開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，既簡易、價廉，可靠。同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié) 組成高性能的閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。（3）步進電機的動態(tài)響應速度快，方便啟停、正反轉、變速。（4）速度可與寬的范圍內平滑調節(jié)，低速下仍能保證 獲得大轉矩。1.2步進電機的缺點（1）步進電機只能通過脈沖電源供電才能啟用，它不 能直接使用直流電源和交流電源。1. 3步進電機的控制原則"啟動頻率”就是步進電機能響應而不失步的最高步 進頻率；與

5、其相同，“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號突然停 斷，步進電機不沖過目標位置的最高步進頻率。而電機的輸 出轉矩和啟動頻率、停止頻率都要和負載的轉動慣量相適 應。有了這些數(shù)據(jù)，就能有效地控制步進電機的運行變速。plc控制步進電機的使用，應根據(jù)下式計算系統(tǒng)的脈沖 當量、脈沖頻率上限和最大脈沖數(shù)量，進而選擇與plc及相 應的功能模塊。根據(jù)脈沖頻率可以確定plc高速脈沖輸出時 需要的頻率，根據(jù)脈沖數(shù)量可以確定plc的位寬。脈沖頻率 上限=（移動速度x步進電機細分數(shù)）/脈沖當量；最大脈沖 數(shù)量二（移動距離x步進電機細分數(shù)）/脈沖當量；脈沖當量 =（步進電機步距角x螺距）、（360x傳動速比）。2升降速控制在步

6、進電機起動和停止的時候往往出現(xiàn)失步和過沖現(xiàn) 象；一般情況下，要求的運行速度往往比較高，而系統(tǒng)的極 限啟動頻率比較低；當要求步進電機從起動到大于突跳頻率 的工作頻率時，變化速度必須逐漸上升；同樣，髙于突跳 頻率或最高工作頻率的工作頻率停止時，變化速度必須逐漸 下降，因此，步進電機的運行一般要經(jīng)過恒頻、升頻和降頻 等過程。實現(xiàn)步進電機升降速的方法分三種：（1）直線升降速控制。這種方法節(jié)省資源、計算簡單, 但是勻速和升降速不能光滑過渡，影響系統(tǒng)的運行壽命和質 量，所以此方法適用于要求不高、處理較慢的場合。（2）指數(shù)升降速控制。這種方法符合步進電機的固有 規(guī)律，但是計算實現(xiàn)比較麻煩，適用于處理速度要求

7、較高的 場合。（3）s形曲線升降速控制。這種方法根據(jù)實際升降速過 程采用慢、快、慢的過程來控制步進電機，適用于要求較高 和平穩(wěn)的場合。二、軟件設計1、系統(tǒng)軟件配置該系統(tǒng)以 simatic step7 v5. 3、step 7microw-nv40sp4 和winccv6. 0為軟件開發(fā)平臺。step7v5. 3編程軟件主要完 成s7-300硬件組態(tài)配置，物理地址配置，網(wǎng)絡通信端口配 置，oe、fe、fc編程等任務。step7micro/w n編程軟件能 夠很容易地對s7-200進行編程。上位機組態(tài)軟件win cc v6. 0向用戶提供了極大的應用 靈活性和系統(tǒng)開放性，在工業(yè)自動化領域有著廣泛的

8、應用， 它可以通過操作畫面對實現(xiàn)數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，step 7中定義 的變量可以在win cc中直接使用，這將大幅降低工程時間。2、硬件組態(tài)simatic step7h wconfig中組態(tài)配置內容包括：硬件名 稱、類型選擇和dp網(wǎng)絡參數(shù)設置（主從站地址、傳輸速率、 操作模式）等。s7-300與s7-200通過em277進行pr0fibus 通訊，需要在step7中進行s7-300站組態(tài)。首先，安裝新 的gsd文件，安裝完成后才能在硬件設備中找到em277o在 組態(tài)過程中需設定cpu315-2dp的地址，其默認值為2,組態(tài) 中em277的地址不能與主站的地址重復，step7v5. 3中組態(tài) 的em

9、277 pr0fibus站地址要與實際em277上的撥碼開關設 定的地址相一致，最后選擇em277的通信接口區(qū)大小為32 byte輸入/輸出。組態(tài)完成后，將硬件信息下載到s7-300的 plc 中。三、步進電機控制流程步進電機的工作原理就是接收控制器或計算機發(fā)出的 脈沖信號而動作，給一個脈沖，步進電機就轉動一個角度或 前進一步。電機驅動器將控制脈沖按照某種模式轉換成步進 電機線圈的電流，產(chǎn)生旋轉磁場，使得轉子只能按固定的步 數(shù)來改變它的位置。連續(xù)的脈沖序列產(chǎn)生與其對應的同頻率 （同步機）步序列，如果控制頻率足夠高，步進電機的轉動可 看作一個連續(xù)的轉動。電機所帶負載電移臺有兩種動作二限位和到位，

10、限位或 到位信號接入到57-z00plc的輸入端。當要求電移臺完成限 位動作時，plc收到上位機的指令后指令電機向某方向轉動, 電機碰到限位開關就停止運動，同時反饋單元向1000m光纖 網(wǎng)報告已經(jīng)完成限位動作；當要求完成到位動作時，電機驅 動器把戶lc給定的脈沖數(shù)加給電機，電機按照該脈沖數(shù)帶 動負載運動一定的步距角，反饋單元報告負載的位置，分控 計算機判斷是否到位，如果到位則命令plc停止動作，否則 再通過分控計算機通過計算脈沖數(shù)向戶lc發(fā)指令再次命令 步進電機動作。四、結語該系統(tǒng)應用西門子plc實現(xiàn)了對大量步進電機的控制， 分布式i/o之間數(shù)據(jù)傳輸采用prrofibus-dp協(xié)議通訊方式, 大大降低了現(xiàn)場設備連接的工作量和費用，提高了信號傳輸 精度和靈活性，降低了系統(tǒng)成本，并