1、浅谈西门子 PLC 对大量步进电动机的控制应用【摘要】西门子 PLC 具有可靠性高、功能强大、使用方便、编程简单、抗干扰强等优点，在工业控制领域得到了广泛应用。本文详细介绍了西门子 PLC 对大量步进电机的控制方法和编程技术，实现了西门子 PLC对大量步进电机的控制和与主控系统进行高效率通信的功能。在实验的基础上验证了该方案的可行性，并且并给出了硬件连接示例和完整的软件程序。 【关键词】步进电机；软件程序；西门子；PLC 中图分类号： TM3 文献标识码： A 步进电动机是控制系统中的执行单元，是一种利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直线位移的执行电机。由于计算机技术的
2、发展，使得步进电动机获得了广泛的应用和普及，特别是数控机床、计算机外围设备、钟表、数字控制系统、程序控制系统以及许多航天工业装置中得到应用。随着步进伺服驱动控制技术的发展，步进伺服驱动细分精度的提高以及电力电子器件的发展，逐步克服了震荡、失步和发热的不足，性价比大幅度提升，广泛应用于工业机械精密定位的控制。当前用于工业控制的计算机控制系统主要有：PLC 控制系统、基于 PC 总线的工业控制计算机（IPC）系统、基于单片机的测控系统、集散控制系统 DCS）和现场总线控制系统（FCS） 。而其中的 PLC 因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广、最广泛的通
3、用工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。但对于大量的步进电机，由于数量多，时序相对复杂，这使得控制难度增大。 一、工作性能及原理 步进电动机是用电脉冲信号进行控制一种的计算机，并将电脉冲信号转换成相应的线位移或角位移的执行要塞。因为受到脉冲的控制，通过控制脉冲数量来控制角位移量以及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，从而达到目标准确定位。控制电机转动的速度和加速度主要是通过控制脉冲频率来控制的，这样才能达到调速的目的；要想达到改变电机旋转方向的目的，只有通过改变通电顺序来实现。步进电机主要是按结构可以分为反应式、永磁式及混合式步进电机来分类的，也可以按相数分
4、类，分别为单相、两相和多相三种。 1.1 步进电机的优点 （1）步进电机的输入脉冲数与角位移严格成正比，电机运转一周后没有累积误差，具有良好的跟随性。 （2）由步驱动器电路与进电机组成的开环数字控制系统，既简易、价廉，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速度快，方便启停、正反转、变速。 （4）速度可与宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩。 1.2 步进电机的缺点 （1）步进电机只能通过脉冲电源供电才能启用，它不能直接使用直流电源和交流电源。 1.3 步进电机的控制原则 “启动频率“就是步进电机能响应而不失步的最高步进频率；与其相同，
5、 “停止频率”是指系统控制信号突然停断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。而电机的输出转矩和启动频率、停止频率都要和负载的转动惯量相适应。有了这些数据，就能有效地控制步进电机的运行变速。 PLC 控制步进电机的使用，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，进而选择与 PLC 及相应的功能模块。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。脉冲频率上限=（移动速度步进电机细分数）/脉冲当量；最大脉冲数量=（移动距离步进电机细分数）/脉冲当量；脉冲当量=（步进电机步距角螺距） 、 （360传动速比） 。 2 升降速控制 在步进电
6、机起动和停止的时候往往出现失步和过冲现象；一般情况下，要求的运行速度往往比较高，而系统的极限启动频率比较低；当要求步进电机从起动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样， 高于突跳频率或最高工作频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降，因此，步进电机的运行一般要经过恒频、升频和降频等过程。 实现步进电机升降速的方法分三种： （1）直线升降速控制。这种方法节省资源、计算简单，但是匀速和升降速不能光滑过渡，影响系统的运行寿命和质量，所以此方法适用于要求不高、处理较慢的场合。 （2）指数升降速控制。这种方法符合步进电机的固有规律，但是计算实现比较麻烦，适用于处理速度要求较高的场合。
7、（3）S 形曲线升降速控制。这种方法根据实际升降速过程采用慢、快、慢的过程来控制步进电机，适用于要求较高和平稳的场合。 二、软件设计 1、系统软件配置 该系统以 SIMATIC STEP7 V5. 3、STEP 7MicroW-NV40SP4 和 WinCCV6.0为软件开发平台。STEP7V5.3 编程软件主要完成 S7-300 硬件组态配置，物理地址配置，网络通信端口配置, OB、FB、FC 编程等任务。STEP7Micro/W N 编程软件能够很容易地对 S7-200 进行编程。 上位机组态软件 Win CC V6.0 向用户提供了极大的应用灵活性和系统开放性，在工业自动化领域有着广泛的
8、应用，它可以通过操作画面对实现数据进行监控， STEP 7 中定义的变量可以在 Win CC 中直接使用，这将大幅降低工程时间。 2、硬件组态 SIMATIC STEP7H Wconfig 中组态配置内容包括:硬件名称、类型选择和 DP 网络参数设置（主从站地址、传输速率、操作模式）等。S7-300与 S7-200 通过 EM277 进行 PROFIBUS 通讯，需要在 STEP7 中进行 S7-300站组态。首先，安装新的 GSD 文件，安装完成后才能在硬件设备中找到EM277。在组态过程中需设定 CPU315-2DP 的地址，其默认值为 2，组态中EM277 的地址不能与主站的地址重复，
9、STEP7V5.3 中组态的 EM277 PROFIBUS 站地址要与实际 EM277 上的拨码开关设定的地址相一致，最后选择 EM277 的通信接口区大小为 32 byte 输入/输出。组态完成后，将硬件信息下载到 S7-300 的 PLC 中。 三、步进电机控制流程 步进电机的工作原理就是接收控制器或计算机发出的脉冲信号而动作，给一个脉冲，步进电机就转动一个角度或前进一步。电机驱动器将控制脉冲按照某种模式转换成步进电机线圈的电流，产生旋转磁场，使得转子只能按固定的步数来改变它的位置。连续的脉冲序列产生与其对应的同频率(同步机)步序列，如果控制频率足够高，步进电机的转动可看作一个连续的转动。
10、 电机所带负载电移台有两种动作二限位和到位，限位或到位信号接入到 57-ZOOPLC 的输入端。当要求电移台完成限位动作时，PLC 收到上位机的指令后指令电机向某方向转动，电机碰到限位开关就停止运动，同时反馈单元向 100OM 光纤网报告已经完成限位动作；当要求完成到位动作时，电机驱动器把户 LC 给定的脉冲数加给电机，电机按照该脉冲数带动负载运动一定的步距角，反馈单元报告负载的位置，分控计算机判断是否到位，如果到位则命令 PLC 停止动作，否则再通过分控计算机通过计算脉冲数向户 LC 发指令再次命令步进电机动作。 四、结语 该系统应用西门子 PLC 实现了对大量步进电机的控制，分布式 I/O之间数据传输采用 PRROFIBUS-DP 协议通讯方式，大大降低了现场设备连接的工作量和费用，提高了信号传输精度和灵活性，降低了系统成本，并且也给系统的调试和设备维护带来了方便。 参考文献： 1边春元，任双艳等.S7-300/400 户 LC 实用开发指南.北京:机械工业出版社，2007，1 2胡志平.PLC 控制系统的设计应用J,矿冶,2004,3(13):72-74. 3西门子公司. SIMATIC S7-200 可编程控制器系统手册M.西门子公司, 2005.
