PLC控制步进电机加减速运行的设计

【摘要】步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。本文以PLC高级指令中的PTO（脉冲串操作）/PWM（脉宽调制）发生器功能指令为例，对给出的步进电机加速起动、恒速运行和减速过程进行了全面的设计。

【关键词】步进电机；脉冲；PLC；加减速

Abstract：Stepper motor is an actuator that transform the electrical pulse into the angular displacement.It can control the angular displacement by change the number of pulse.It can also control the rotation speed and acceleration by change the frequency of pulse to achieve the purpose of speed.In this paper，use advanced PLC instructions including PTO（Pulse Train Operation）/PWM（Pulse Width Modulation）generator function instruction as an example，comprehensive design the stepper motor speed up starting，constant speed operation and deceleration process.

Key words：Stepper motor；pulse；PLC；accelerate and decelerate

步进电机是数字控制系统中的执行电动机，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制[1]。

目前世界上主要的PLC厂家生产的PLC均有专门的步进电机控制指令，可以很方便地和步进电机构成运动控制系统。PLC要和步进电机配合实现运动控制，还需要在PLC内部进行一系列设定，或者是编制一定的程序。

1.硬件的设计

1.1 PLC的选择

本次研究中PLC要和步进电机配合实现运动控制，需要在PLC内部进行设定并编制一定的程序。另外，步进电机控制是要用高速脉冲控制的，所以PLC必须是可以输出高速脉冲的晶体管输出形式，不可以使用继电器输出形式的PLC来控制步进电机。

由于此设计对PLC的要求并不是很高，输入/输出点所用不多，程序量不是很大，所以用西门子S7-200CPU226型PLC就可以满足要求。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高[2]。

1.2 步进电机的选择

在选择步进电动机时主要考虑的是步进电动机的类型选择，根据系统要求，确定步进电动机的电压值、电流值以及有无定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，从而就可以确定步进电动机的相数和拍数。

这次设计所选用的步进电机为57BYG2

50C型，它的数据参数如表1所示。

1.3 步进电机驱动器的选择

步进电机的运行要由一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。

一般来说，对于两相四根线电机，可以直接和驱动器相连，以两相混合步进电动机驱动器为例，主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分组成[3]。所有型号驱动器的输入信号都相同，共有三路信号，它们是：步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR和脱机信号FREE。脱机信号FREE为低电平有效，这时电机处于无力矩状态。若FREE端为高电平或悬空不接时，电机可正常运行。

此步进电机驱动器的电气技术数据如表2所示。

2.控制功能设计

本文研究的内容为“PLC控制步进电机加减速运行的设计”，通过手动控制步进电机运行，可以通过PLC程序从外部输入脉冲数值，并能实现正反转运行。运行所走的路线按照下列包络控制电机运行。如图1所示。

根据图1包络中的数值分析运行的脉冲总数为1000个脉冲，起动频率为500Hz，最大脉冲频率为1000Hz，这要求PLC中的高级指令PTO发生器包括三段管线，由于包络中的值是用周期而不是用频率表示的，需要将频率值转换成周期值。

初始周期为2000μs，最高频率的周期为1000μs，则对于第一段包络线来说，脉冲发生器调整脉冲周期的增量值：

周期的增量值=(ECT-ICT)/Q （1.1）

=(1000-2000)/110

=-9μs/周期

式中的ETC、ICT和Q分别是该段最高频率的周期、初始时的周期和脉冲数[4]。由上面的计算过程式（1.1）可知，对于给定了初始频率、运行频率以及行程。可以根据公式计算出频率上升的斜率，基于此原则，可以在子程序中设定外部给定的三个变量：初始频率、运行频率、脉冲数，计算出各段运行脉冲数。根据此原理进行对程序的设计。

步进电机驱动器接线示意图如图2所示。

3.PLC程序的设计

PLC的I/O分配如表3所示。

3.1 主程序

主程序是整个程序的支架部分，也是改变三个变量值的地方。网络1为停止程序，因为停止指令的优先等级高，所以将停止指令放在网络1。网络2为启动指令（即脉冲的计算输出）。网络3、4为脉冲数的加、减指令，每次加、减的数值就是步进电机的行程。网络5是数据类型的转换，为后面计算所用。此外还包括2个调用子程序（脉冲的计算输出程序和停止程序）。

当触点I0.2每闭合一次时，脉冲个数的设定值从0开始增加1000，当触点I0.3每闭合一次时，脉冲个数的设定值从当前值减少1000。当触点I0.1闭合时，调用脉冲的计算输出程序，启用3段包络线控制电机运行。当触点I0.0闭合时，调用停止程序，停止电机，复位系统，完成控制要求。

3.2 脉冲的计算输出程序

脉冲的计算输出程序为一个子程序，它是根据式（1.1）计算出的周期的增量值，和主程序中的三个变量（初始频率、运行频率和脉冲数），再由式（1.1）反算出三段包络线所需的数据。最后输出脉冲，驱动步进电机运行。

3.3 停止程序

停止程序是用于停止步进电机运行的，将SMB67的参数置为0，即不启用脉冲输出，将步进电机的当前值VD1200及VD10清零。

4.结论

通过本次设计，从最开始的步进电机、步进电机驱动器以及整体控制功能的数据分析入手，在硬件上对PLC、步进电机以及步进电机驱动器进行了选择，最后编制出PLC程序实现了利用PLC发出高速脉冲对步进电机的加减速控制。

参考文献

[1]胡幸鸣.电机及拖动基础[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2]徐国林.PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

[3]王侃夫.数控机床控制技术与系统[M].北京:机械工业出版社,2009.

[4]廖常初.PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社,2007.

作者简介：

徐宁（1980—），女，辽宁义县人，大学本科，讲师，研究方向：电气自动化。

张博舒（1966—）女，陕西泾阳人，硕士，副教授，高级工程师，研究方向：电气自动化。