淺談西門子plc對(duì)大量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制應(yīng)用

1、<p>　　淺談西門子PLC對(duì)大量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制應(yīng)用</p><p>　　【摘要】西門子PLC具有可靠性高、功能強(qiáng)大、使用方便、編程簡單、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文詳細(xì)介紹了西門子PLC對(duì)大量步進(jìn)電機(jī)的控制方法和編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了西門子PLC對(duì)大量步進(jìn)電機(jī)的控制和與主控系統(tǒng)進(jìn)行高效率通信的功能。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上驗(yàn)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。 <

2、;/p><p>　　【關(guān)鍵詞】步進(jìn)電機(jī)；軟件程序；西門子；PLC </p><p>　　中圖分類號(hào)： TM3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A </p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是控制系統(tǒng)中的執(zhí)行單元，是一種利用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移的執(zhí)行電機(jī)。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)獲得了廣泛的應(yīng)用和普及，特別是數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、鐘表、數(shù)字控制

3、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(yīng)用。隨著步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)細(xì)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(jià)比大幅度提升，廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械精密定位的控制。當(dāng)前用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)（IPC）系統(tǒng)、基于單片機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)DCS）和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）。而其中的PLC因?yàn)榉€(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、簡

4、單易學(xué)、功能強(qiáng)大和使用方便已經(jīng)成為應(yīng)用面最廣、最廣泛的通用工業(yè)控制裝置，成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一。但對(duì)于大量的步進(jìn)電機(jī)，由于數(shù)量多，時(shí)序相對(duì)復(fù)雜，這使得控制難度增大。 </p><p>　　一、工作性能及原理 </p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制一種的計(jì)算機(jī)，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的線位移或角位移的執(zhí)行要塞。因?yàn)槭艿矫}沖的控制，通過控制脈沖數(shù)量來控制角位移量以及

5、其轉(zhuǎn)子的角位移量和速度嚴(yán)格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，從而達(dá)到目標(biāo)準(zhǔn)確定位?？刂齐姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dá)到調(diào)速的目的；要想達(dá)到改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的目的，只有通過改變通電順序來實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)主要是按結(jié)構(gòu)可以分為反應(yīng)式、永磁式及混合式步進(jìn)電機(jī)來分類的，也可以按相數(shù)分類，分別為單相、兩相和多相三種。 </p><p>　　1.1 步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn) </p>&l

6、t;p>　?。?）步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖數(shù)與角位移嚴(yán)格成正比，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周后沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。 </p><p>　?。?）由步驅(qū)動(dòng)器電路與進(jìn)電機(jī)組成的開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，既簡易、價(jià)廉，可靠。同時(shí)，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)。 </p><p>　?。?）步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，方便啟停、正反轉(zhuǎn)、變速。 </p><p>　　

7、（4）速度可與寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩。 </p><p>　　1.2步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn) </p><p>　?。?）步進(jìn)電機(jī)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。 </p><p>　　1.3 步進(jìn)電機(jī)的控制原則 </p><p>　　"啟動(dòng)頻率"就是步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高

8、步進(jìn)頻率；與其相同，“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號(hào)突然停斷，步進(jìn)電機(jī)不沖過目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率。而電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)頻率、停止頻率都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相適應(yīng)。有了這些數(shù)據(jù)，就能有效地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行變速。 </p><p>　　PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的使用，應(yīng)根據(jù)下式計(jì)算系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量、脈沖頻率上限和最大脈沖數(shù)量，進(jìn)而選擇與PLC及相應(yīng)的功能模塊。根據(jù)脈沖頻率可以確定PLC高速脈沖輸出時(shí)需要的頻率，根據(jù)脈沖數(shù)量

9、可以確定PLC 的位寬。脈沖頻率上限=（移動(dòng)速度×步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)）/脈沖當(dāng)量；最大脈沖數(shù)量=（移動(dòng)距離×步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)）/脈沖當(dāng)量；脈沖當(dāng)量=（步進(jìn)電機(jī)步距角×螺距）、（360×傳動(dòng)速比）。 </p><p><b>　　2升降速控制 </b></p><p>　　在步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)和停止的時(shí)候往往出現(xiàn)失步和過沖現(xiàn)象；一般情況下，要

10、求的運(yùn)行速度往往比較高，而系統(tǒng)的極限啟動(dòng)頻率比較低；當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)從起動(dòng)到大于突跳頻率的工作頻率時(shí)，變化速度必須逐漸上升；同樣， 高于突跳頻率或最高工作頻率的工作頻率停止時(shí)，變化速度必須逐漸下降，因此，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行一般要經(jīng)過恒頻、升頻和降頻等過程。 </p><p>　　實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)升降速的方法分三種： </p><p>　?。?）直線升降速控制。這種方法節(jié)省資源、計(jì)算簡單，但是勻速和升

11、降速不能光滑過渡，影響系統(tǒng)的運(yùn)行壽命和質(zhì)量，所以此方法適用于要求不高、處理較慢的場(chǎng)合。 </p><p>　?。?）指數(shù)升降速控制。這種方法符合步進(jìn)電機(jī)的固有規(guī)律，但是計(jì)算實(shí)現(xiàn)比較麻煩，適用于處理速度要求較高的場(chǎng)合。 </p><p>　　（3）S形曲線升降速控制。這種方法根據(jù)實(shí)際升降速過程采用慢、快、慢的過程來控制步進(jìn)電機(jī)，適用于要求較高和平穩(wěn)的場(chǎng)合。 </p><p

12、><b>　　二、軟件設(shè)計(jì) </b></p><p><b>　　1、系統(tǒng)軟件配置 </b></p><p>　　該系統(tǒng)以SIMATIC STEP7 V5. 3、STEP 7MicroW-NV40SP4和WinCCV6.0為軟件開發(fā)平臺(tái)。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(luò)通信端口配置, OB、FB

13、、FC編程等任務(wù)。STEP7Micro/W N編程軟件能夠很容易地對(duì)S7-200進(jìn)行編程。 </p><p>　　上位機(jī)組態(tài)軟件Win CC V6.0向用戶提供了極大的應(yīng)用靈活性和系統(tǒng)開放性，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，它可以通過操作畫面對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)間。 </p><p><b>　　2、硬件組

14、態(tài) </b></p><p>　　SIMATIC STEP7H Wconfig中組態(tài)配置內(nèi)容包括:硬件名稱、類型選擇和DP網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置（主從站地址、傳輸速率、操作模式）等。S7-300與S7-200通過EM277進(jìn)行PROFIBUS通訊，需要在STEP7中進(jìn)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(shè)備中找到EM277。在組態(tài)過程中需設(shè)定CPU315-2DP的地址，其默認(rèn)值為

15、2，組態(tài)中EM277的地址不能與主站的地址重復(fù)， STEP7V5.3中組態(tài)的EM277 PROFIBUS站地址要與實(shí)際EM277上的撥碼開關(guān)設(shè)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。 </p><p>　　三、步進(jìn)電機(jī)控制流程 </p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的工作原理就是接收控制器或計(jì)算機(jī)發(fā)出的脈沖信

16、號(hào)而動(dòng)作，給一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將控制脈沖按照某種模式轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)線圈的電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使得轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)的同頻率(同步機(jī))步序列，如果控制頻率足夠高，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)可看作一個(gè)連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 </p><p>　　電機(jī)所帶負(fù)載電移臺(tái)有兩種動(dòng)作二限位和到位，限位或到位信號(hào)接入到57-ZOOPLC的輸入端。當(dāng)要求電移臺(tái)完成限位動(dòng)作時(shí)

17、，PLC收到上位機(jī)的指令后指令電機(jī)向某方向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)碰到限位開關(guān)就停止運(yùn)動(dòng)，同時(shí)反饋單元向100OM光纖網(wǎng)報(bào)告已經(jīng)完成限位動(dòng)作；當(dāng)要求完成到位動(dòng)作時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器把戶LC給定的脈沖數(shù)加給電機(jī)，電機(jī)按照該脈沖數(shù)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)一定的步距角，反饋單元報(bào)告負(fù)載的位置，分控計(jì)算機(jī)判斷是否到位，如果到位則命令PLC停止動(dòng)作，否則再通過分控計(jì)算機(jī)通過計(jì)算脈沖數(shù)向戶LC發(fā)指令再次命令步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作。 </p><p><b>

18、;　　四、結(jié)語 </b></p><p>　　該系統(tǒng)應(yīng)用西門子PLC實(shí)現(xiàn)了對(duì)大量步進(jìn)電機(jī)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(chǎng)設(shè)備連接的工作量和費(fèi)用，提高了信號(hào)傳輸精度和靈活性，降低了系統(tǒng)成本，并且也給系統(tǒng)的調(diào)試和設(shè)備維護(hù)帶來了方便。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p>