关键词：PLC 脉冲控制 人机对话 步进电机
Abstract: The step motor is one kind of electrical element basing on the pulse control. The paper introduced the application of Simens S7-200 controlling the step motor . Moreover, this control system has the man-machine conversation function and higher performance price ratio.
Key words: PLC Pulse control Man-machine conversation Step Motor
0.前言
步进电机是将电脉冲信号转化为角位移或线位移的控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、位移只取决于脉冲的频率和脉冲的个数，而不受负载变化的影响。即给电机加上一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无积累误差的特点。使步进电机可以对旋转角度和转动速度进行精确控制。在速度、位置等控制领域使用步进电机最为理想。伴随着数字化技术的发展以及步进电机技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。本文将介绍一种基于PLC脉冲的步进电机控制系统。
1. 控制系统的结构框图
步进电机控制系统的结构框图如图1所示。主要由人机界面、PLC控制器、步进电机驱动器及步进电机组成。
图1
由于步进电机本身的结构特性决定了它要实现高速运转必须有加速过程。如果启动时突然加载高频脉冲，电机会产生啸叫、失步、甚至不能启动。在停止阶段也是这样的，当高频突降到零时，电机也会产生啸叫和振动。所以在加速和停止时，都必须有一个加速和减速阶段[1]。在本文中 ，具体为：首先控制步进电机，使之稳步启动，然后高速运动（电机正常工作时的速度），到达指定位置，减速之后低速运行一段时间，然后停止。后退过程同与前进过程相同，电机工作过程如图2所示：
图2
2. 系统的软件设计
根据控制系统的要求，系统软件流程图如图3所示：主要包括主程序，子程序。
主程序完成的主要功能有：在通电开始，先将输出口初始化置零，设定电机的转向，调用子程序完成步进电机的前进和后退控制，电机的启动和停止控制。
子程序主要完成高速脉冲串输出的参数及网络表的设置。
图3
步进电机采用自动升降的方式，即步进电机先在低频下启动，然后逐渐升至运行频率。当电机停止时，先将脉冲信号的频率降至启动频率以下，在停止输出脉冲。步进电机才能不失步地停止。步进电机在小于极限启动频率下正常启动后，控制脉冲在缓慢升高即可正常运行[3]。电机脉冲特性如图4
图4
3. 步进电机及驱动器
步进电机是该系统的执行机构，它的精度影响整个系统的控制精度。选用电机时应满足系统的功能要求。同时根据电机参数计算所选PLC的脉冲输出频率是否满足步进电机的要求。
控制系统中PLC用来产生控制脉冲;通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量;同时通过编程控制脉冲频率——既伺服机构的进给速度;环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC的I/O口点数，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动器将PLC输出的控制脉冲放大到几十～上百伏特、几安～十几安的驱动能力。一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几～几十伏特、几十～几百毫安。但对于功率步进电机则要求几十～上百伏特、几安～十几安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向;如三相步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A…时步进电机正转;当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A…顺序通电时步进电机反转。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现[4]。
由步进电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数;因此可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数：
（1）
式中 Dl——伺服机构的位移量（mm）;
d——伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）
伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率;因此可以根据该工序要求的进给速度,确定其PLC输出的脉冲频率:
（2）
式中 Vf——伺服机构的进给速度（mm/min）
4. 人机界面
利用s7-200的PPI的通讯协议，可对系统进行实时监控[2]。由PC机发出控制命令对电机进行启动、停止、正反转的控制。当系统运行时，利用软件程序，将脉冲频率转化为速度、脉冲个数转化为距离发送到PC机上并显示出来，进行速度、位移的监视。
5. 结束语
将PLC控制的开环伺服机构用于某大型生产线的数控滑台，其脉冲当量为0.01～0.05mm,进给速度为Vf=3～15m/min,完全满足工艺要求和加工精度要求[4]。证明将PLC脉冲控制步进电机技术应用于中、小功率牵引设备中，具有控制简单、稳定、成本低等特点，是一种切实可行的电气控制方案。如果在系统中加上保护电路及防干扰措施，还可提高系统的稳定性。
参考文献：
[1] 戴金灿.西门子s7-200系列PLC应用于开发[M].中国水利水电出版社.2007年.
[2] 邓星钟.机电传动控制（第四版） [M].华中科技大学出版社.2007年.
[3] E20001-H5400-C400-V2-5D00.s7-200中文系统手册.2002年. H31—H36
[4] 管丽娜、邵强.步进电机的PLC直接控制 [J].大连民族学院学报. 2004年01期.45-47
