淺談西門子plc對大量步進電動機的控制應用

1、<p>　　淺談西門子PLC對大量步進電動機的控制應用</p><p>　　【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。 <

2、;/p><p>　　【關鍵詞】步進電機；軟件程序；西門子；PLC </p><p>　　中圖分類號： TM3文獻標識碼： A </p><p>　　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(zhuǎn)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

3、系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)裝置中得到應用。隨著步進伺服驅(qū)動控制技術的發(fā)展，步進伺服驅(qū)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）。而其中的PLC因為穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、簡

4、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。 </p><p>　　一、工作性能及原理 </p><p>　　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(zhuǎn)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

5、其轉(zhuǎn)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。控制電機轉(zhuǎn)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(diào)速的目的；要想達到改變電機旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)可以分為反應式、永磁式及混合式步進電機來分類的，也可以按相數(shù)分類，分別為單相、兩相和多相三種。 </p><p>　　1.1 步進電機的優(yōu)點 </p>&l

6、t;p>　?。?）步進電機的輸入脈沖數(shù)與角位移嚴格成正比，電機運轉(zhuǎn)一周后沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。 </p><p>　　（2）由步驅(qū)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)。 </p><p>　?。?）步進電機的動態(tài)響應速度快，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步進電機的缺點 </p><p>　　（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。 </p><p>　　1.3 步進電機的控制原則 </p><p>　　"啟動頻率"就是步進電機能響應而不失步的最高

8、步進頻率；與其相同，“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(zhuǎn)矩和啟動頻率、停止頻率都要和負載的轉(zhuǎn)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。 </p><p>　　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

9、可以確定PLC 的位寬。脈沖頻率上限=（移動速度×步進電機細分數(shù)）/脈沖當量；最大脈沖數(shù)量=（移動距離×步進電機細分數(shù)）/脈沖當量；脈沖當量=（步進電機步距角×螺距）、（360×傳動速比）。 </p><p><b>　　2升降速控制 </b></p><p>　　在步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

10、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， 高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。 </p><p>　　實現(xiàn)步進電機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、處理較慢的場合。 </p><p>　?。?）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較高的場合。 </p><p>　?。?）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。 </p><p

12、><b>　　二、軟件設計 </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。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, OB、FB

13、、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。 </p><p>　　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。 </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PROFIBUS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EM277。在組態(tài)過程中需設定CPU315-2DP的地址，其默認值為

15、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EM277 PROFIBUS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。 </p><p>　　三、步進電機控制流程 </p><p>　　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

16、號而動作，給一個脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步。電機驅(qū)動器將控制脈沖按照某種模式轉(zhuǎn)換成步進電機線圈的電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，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(zhuǎn)動可看作一個連續(xù)的轉(zhuǎn)動。 </p><p>　　電機所帶負載電移臺有兩種動作二限位和到位，限位或到位信號接入到57-ZOOPLC的輸入端。當要求電移臺完成限位動作時

17、，PLC收到上位機的指令后指令電機向某方向轉(zhuǎn)動，電機碰到限位開關就停止運動，同時反饋單元向100OM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(qū)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。 </p><p><b>

18、;　　四、結(jié)語 </b></p><p>　　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，并且也給系統(tǒng)的調(diào)試和設備維護帶來了方便。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p>