基于S7―200LC实现步进电机的驱动控制

【摘要】步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的的执行元件。驱动步进电机的方法较多，本文旨在用S7-200PLC通过发送脉冲信号给步进电机的驱动器，由驱动器来驱动步进电机进行工作。本设计采用S7-200PLC和大功率晶体管实现对步进电机的驱动控制，硬件结构简单可靠，成本较低，实用性较强，具有良好的通用性和应用推广价值。

【关键词】步进电机；S7-200PLC；驱动器；晶体管

1.引言

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种家电产品中，例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、机械手臂和录像机等。此外也广泛应用于各种工业自动化系统中。因此实现对步进电机良好的驱动控制显得十分必要。驱动步进电机的方法较多，目前流行的是采用S7-200PLC驱动控制步进电机。步进电机驱动器可以通过接收S7-200PLC发送的脉冲个数来控制步进电机的位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过接收S7-200PLC发送的脉冲频率来控制步进电机的速度和加速度，从而达到调速的目的。许多S7-200PLC都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好的对步进电机进行驱动控制。本文采用西门子公司的CPU226晶体管输出型PLC对步进电机进行驱动控制。

2.样例系统

本文的驱动控制过程为：某运货小车在甲、乙两地之间运行（如图1所示），装货及卸货，在此过程中要求小车准确定位和平稳运行。

要想实现上述控制过程，只需对小车的动力装置（步进电机）进行合理的驱动控制即可。步进电机的驱动控制方法如图2所示。驱动控制方法是通过上位机设定参数，利用S7-200PLC输出高速脉冲信号，送给大功率管组成的驱动电路，经过步进电机驱动器去控制步进电机的准确定位和平稳运行。本文采用的PLC为西门子公司的CPU226DC/DC/DC、驱动器为SH-20403两相混合式步进电机细分驱动器、步进电机型号为42BYG250B，其步距角为1.8°；相电流为1.5A；保持转矩为0.43（N・m）。

3.S7-200PLC对步进电机的速度控制及位置定位

步进电机工作时一般要经历这样一个变化过程：启动恒速（高速）减速恒速（低速）停止。由此过程可以看出步进电机在启动和停止之间有一个加速和减速的过程，且加速度越小冲击越小，动作越平稳。由于步进电机的转速与脉冲频率成正比，因此输入步进电机驱动器的的脉冲频率也要经历一个类似的变化过程。如果步进电机启动时速度过小，会由于驱动力不足导致小车运动不起来；反之，如果启动速度过大，则会导致机器的磨损程度的增加同时噪音也将很大，所以合理的设置启动曲线段的初始周期以及脉冲个数显得至关重要，只有这样才能使运货小车的运动平稳性得到提高。

S7-200PLC对步进电机的驱动控制体现在三个方面：一是对步进电机运行脉冲频率的控制；二是对步进电机启动、加速、减速和停止时的控制；三是对步进电机运转脉冲数目的控制。

西门子S7-200PLC的编程软件STEP7-MicroWIN提供的位置控制向导可以帮助设计者在较短时间内完成PTO、PWM或位控模块的组态。此向导可以生成位控指令，以便在应用程序中对步进电机的速度及位置进行动态控制。S7-200PLC提供了线性脉冲串输出（PTO）功能，可以输出两路频率最高为20KHz的脉冲序列，脉冲周期和脉冲个数由用户编程设定。此外S7-200PLC的指令集提供单段管线的PTO输出和多段线的PTO输出。单段管线PTO只支持一段自定义周期和脉冲个数的脉冲串输出；而多段线PTO相当于多个单段管线的PTO无缝连接在一起输出，且允许单段内的脉冲周期进行恒增量或恒减量的变化。PTO功能极大地方便了步进电机在控制领域的应用。

3.1 操作模式

使用STEP7-MicroWIN位置控制向导，为线性脉冲串输出（PTO）操作组态一个内置输出。选择Q0.0或Q0.1组态作为PTO的输出。在位置控制向导对话框中选择“配置S7-200PLC内置PTO/PWM操作”，从下拉对话框中选择“线性脉冲串输出（PTO）”。如图3所示

3.2 设定参数

电机的启动/停止速度（SS_SPEED）：该数值应满足电机在低速时驱动负载的能力，如果SS_SPEED的数值过低，电机和负载在运动的开始和结束时可能会摇摆和颤动。如果SS_SPEED的数值过高，电机会在启动时丢失脉冲，且负载在试图停止时会使电机超速。故在此设定为105脉冲/s。

在该驱动控制系统中，小车主要工作在步进电机匀速转动的状态下，因此加速与减速的时间越小越有利于小车的启停工作，但是如果时间太小则会减少步进电机的使用寿命，故在此设定加速时间为950ms，设定减速时间为180ms。

在该驱动控制系统中，设定步0的目标速度为1150脉冲/s（介于MAX_SPEED和MIN_SPEED之间）。假定步进电机一步转过的角度为β（步距角），步进电机总共需要转的角度为θ，步进电机需要的总脉冲个数为ф，小车车轮总共转过的角度为φ，减速箱的传动比为λ，则包络总位移（步进电机需要的总脉冲个数）为：

如图1所示，运货小车从甲地到乙地，车轮应转40圈，即φ=14400°。该驱动控制系统中，β=1.8°，λ=1，则由（1）得ф=8000。

创建包络中的一个步是小车运动的一个固定距离，包括加速和减速时间内的距离。在小车驱动控制系统中有时需要变更速度，使小车噪声小、运行平稳，因此需要建立多个包络和多个步，即将总的脉冲个数分为多个步。最后绘制的电机运动包络图如图4所示。

4.S7-200PLC应用程序的实现

脉冲输出向导将根据所选的配置生成相应的项目组件，主要是一些子程序。通过创建相应的指令子程序，位控向导使得控制内置PTO更加简单。编程调用PTO0_CTRL子程序使能和初始化用于步进电机的PTO输出；调用PTO0_RUN子程序命令S7-200PLC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。如图5所示。

5.结语

步进电机的驱动控制以开环控制居多，用S7-200PLC构成的步进电机驱动控制系统具有控制简单方便、运行平稳、开发周期较短等优点。它基于模块化思想的软硬件设计，使得驱动控制系统易于调试和维护，是一种性价比较高、切实可行的步进电机驱动控制方法。

参考文献

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作者简介：姜雷杰（1988―），男，江苏泗阳人，西安工程大学机电工程学院在读硕士研究生，研究方向：机电控制与自动化。