1、基于 PLC 的步进电机控制方案设计摘 要PLC 在工业控制领域应用广泛，其实时性、指令集成和界面操作便于实现运动控制功能。该文介绍了一种基于西门子 S7-200PLC 的步进电机控制系统，使用 STEP7 Micro/WIN 具有的脉冲串输出功能，设置加速和减速时间、组态包络输出脉冲串，实现步进电机速度和位置控制。使用 MCGS 软件组态触摸屏人机界面，实现电机控制和状态监控。该文详细介绍了系统组成、控制原理、程序设计和软件组态。该控制系统已经面向学生实验，使用效果良好。 关键词PLC；步进电机；触摸屏 中图分类号：TM301.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）33
2、-0119-02 0 引言 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，通过控制脉冲频率和个数，可以达到调速和定位的目的。S7-200PLC 适用于小型电气自动化监测和控制系统，其具有的高速脉冲串输出（PTO）功能，方便了步进电机控制。 本文结合实验室现有资源，设计了步进电机控制方案，以触摸屏作为人机界面、以 S7-200PLC 作为主控制器、通过专用驱动器控制步进电机，步进电机带动直线运动单元，由限位开关反馈极限位置。文中详细介绍了系统组成和程序设计，方案为本科生课程设计提供了实验内容，使用效果良好。 1
3、系统组成 控制系统由 PLC、触摸屏、步进电机及其驱动器、直线运动单元、限位开关、开关电源以及相关电路等设备组成，系统组成原理如图 1 所示。1.1 PLC 主机 PLC 选用西门子 S7-200 CPU226DC/DC/DC 晶体管输出型，最大脉冲输出频率 20kHz，脉冲输出电压 5VDC1。主机有两个内置的脉冲发生器，指定给数字输出点 Q0.0 与 Q0.1，有两种脉冲发生模式可供选择：脉冲串输出（PTO）和脉冲宽度调制输出 PWM。 1.2 触摸屏 组态人机界面选用和利时 HT6720T 型 7 英寸高亮度 TFT 液晶显示屏，可配合 S7-200PLC 程序执行各类组态，模拟工程现场
4、运作，丰富实验内容2。触摸屏与计算机采用 USB 连接、与 PLC 采用 485 通信。在 PC 机上运用 MCGS 组态软件，编程后下载到 PLC，PLC 通过程序指令将触摸屏输入的运动参数转化为控制指令，控制步进电机的实时运动。图形界面主要包括以下功能： （1）电机启动：通过触摸屏按钮启动或停止系统； （2）初始化：对系统的初始点进行设置； （3）控制方式选择：选择自动或手动控制方式； （4）数据输入：通过调用隐藏的小键盘，输入速度、方向等运动参数； （5） 过程显示：对运动中的速度、位移进行实时显示； （6） 检测报警：极限位置检测、错误报警等。 1.3 步进电机及其驱动 步进电机是一种
5、将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的常用电气执行元件，具有步进数可控、运行平稳、价格便宜等优点3。步进电机转子的位移与脉冲数成正比，因而其转速与脉冲频率成正比，而不受电源电压、负载大小及环境条件等影响。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度前进一步，这个角度即为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了旋转的速度，方向信号决定了旋转的方向。 本系统电机采用杭州日升电气设备有限公司生产的 57BYG250FC 混合两相步进电机和配套驱动器型号 HB202M。直线运动单元由步进电机、丝杠连接、五个定位限位开关、以及接线面板组成。其中丝杠是将步进电机的旋转运动转变成工作台面的直线运
6、动，左右两端为极限限位开关，中间三个限位开关分别是前、中和后位置检测。接线面板上对应的五个限位开关分别有信号输出端子，并且有 LED 信号触发指示。步进电机驱动器上的信号公共端（COM-） ，脉冲输入端（CP） ，方向信号输入端（DIR） ，脱机控制信号输入端（FREE）以及 24VDC 电源输入都布置在接线面板相应区域。 直接关系运动结果的参数有以下几个： N：PLC 发出的控制脉冲的个数； n：步进电机驱动器的脉冲细分数； ：步进电机的步距角，即步进电机每收到一个脉冲变化，轴所转过的角度； d：丝杠的螺纹距，它决定了丝杠每转过一圈，工作台面前进的距离；根据以上几个参数，得到以下结果： PL
7、C 发出的脉冲个数到达步进电机上，脉冲实际有效数应为 N/n，步进电机每转过一圈，需要的脉冲个数为 360/，则 PLC 发出 N 个脉冲，工作台面移动的距离为： 2 系统控制原理和主程序设计 2.1 控制原理 利用高速脉冲输出功能控制步进电机，S7-200PLC 的 CPU 模块有两个PTO 发生器，通过 Q0.0、Q0.1 输出高速脉冲列。每个 PTO 生成器有一个9 位的控制字节、一个 16 位无符号的周期值或脉冲宽度值、以及一个无符号 32 位脉冲计数值。这些值全部存储在指定的特殊存储器区，并被预先设置，通过执行脉冲输出指令（PLS）来启动操作。PLC 指令使 S7-200读取 SM
8、位，并对 PTO 发生器进行编程。 使用 STEP7-Micro/WIN 位控向导，为 PTO 操作组态一个内置输出。通过向导配置脉冲速度、加减速时间，得到每一步的目标速度和脉冲数。设定的目标速度和位置如图 2。 接线中，CP+/CP-为脉冲信号、DIR+/DIR-为方向信号（电平控制） ，输出极性和方向控制如图 3 所示。 2.2 主程序设计 主程序完成步进电机启停、以目标速度控制电机正转或者反转、限位开关位置检测等。软件采用 STEP7-Micro/WIN 编写，调用的主要 PTO子程序有： PTOx_CTRL 子程序（控制）：使能和初始化用于步进电机的 PTO 输出。 PTOx_RUN
9、子程序（运行包络）：命令 PLC 在一个指定的包络中执行运动操作，此包络存储在组态/包络表中。 PTOx_MAN 子程序（手动模式）：使 PTO 输出置为手动模式。该子程序允许电机以不同的速度启动、停止和运行。 程序有手动控制和自动控制两种功能，手动模式下电机遇限位停止，自动模式下电机正反转自动循环、按停止指令停止。流程图分别如图 4和图 5 所示。 3 界面设计 MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows 平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制
10、、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能4。 由 MCGS 嵌入版生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，如图 6 所示。 在窗口内，通过放置不同的构件，创建图形对象并调整画面的布局，组态配置不同的参数以完成不同的功能。根据系统运行要求，设计的触摸屏界面如图 7 所示。 4 结束语 用 PLC 实现对步进电机的速度和位置进行控制，用触摸屏替代传统的按钮、指示灯，操作简单，人机交互性好。本方案利用 S7-200PLC 脉冲输出 PTO 功能实现了步进电机速度和位置控制，利用 HT6720T 触摸屏、MCGS 组态软件实现电机控制和运
11、行状态监控。通过实验，学生掌握了STEP 7-Micro/WIN 编程软件使用、熟悉了步进电机原理及其驱动、并初步具备了 MCGS 软件的组态设计方法。 参考文献 1 龚仲华.S7-200 系列 PLC 应用技术M，北京：人民邮电出版社，2011. 2 廖常初.西门子人机界面（触摸屏）组态与应用技术，北京：机械工业出版社，2008. 3 岂兴明.PLC 与步进伺服快速入门与实践M，北京：人民邮电出版社，2011. 4 吴作明.工控组态软件与 PLC 应用技术M，北京：北京航空航天大学出版社，2007. 5 郭俊宇.基于 PLC 的步进电机控制方法研究J，科技情报开发与经济，2011，21（13）：193-1947. 6 王立红.基于 PLC 的步进电机行程控制J，组合机床与自动化加工技术，2008（11）：44-46. 7 崔延.采用 PLC 控制步进电机实现点位控制J，组合机床与自动化加工技术，2009（4）：61-66. 8 江华生.基于 PLC 和触摸屏的步进电机控制系统的设计J，机械与电子，2008（10）：75-78. 资助项目：高教所实验室建设专项资助项目（GK100301006-3） 。 作者简介：吴茂刚（1976） ，男，山东莱芜人，讲师，电机及其控制。
