基于S7-200 Smart PLC的三軸定位系統(tǒng)的步進電機伺服控制設(shè)計

劉凱

摘要 為了能夠提高多臺電機協(xié)調(diào)性從而提高自動化系統(tǒng)的控制可靠性和精確度，本文以S7-2 00Smart CPU作為控制核心，以三軸定位為控制方法，分析研究步進電機的控制。從實際工程中可知，三軸定位對步進電機的速度、精度以及可靠性都有較好的控制效果。

【關(guān)鍵詞】S7-200 Smart 三軸定位 步進電機

1 引言

隨著工業(yè)自動化的快速發(fā)展，對于電機控制的精確度和速度要求越來越高。多軸協(xié)調(diào)運動控制與復(fù)雜曲面、曲軸的加工、纏繞機械、多軸聯(lián)動數(shù)控機床等設(shè)備密切相關(guān)。多臺電機之間協(xié)調(diào)性能的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的可靠性和控制精度。所以對于步進電機的伺服控制至關(guān)重要。

2 相關(guān)技術(shù)概述

2.1 S7-200 Smart簡介

S7-200 Smart系列控制器是西門子的一款標(biāo)準(zhǔn)型晶體管輸出型CPU，模塊內(nèi)部集成了1個以太網(wǎng)接口、1個RS485接口、擁有可以擴展為3個的通信接口，能夠滿足小型自動化設(shè)備的連接觸摸屏、變頻器等外設(shè)。CPU模塊本體含有18個數(shù)字量輸入點和12個數(shù)字量輸出點，能夠最多集成3路高速脈沖輸出，頻率可以達到lOOkHz，支持PWM/PTO輸出方式以及多種運動模式，可自由設(shè)置運動包絡(luò)，如果按照運行時速900mm/s來進行計算，步進電機接收到4000個脈沖則旋轉(zhuǎn)一周，此時步進電機滑行距離為90mm，需要CPU提供的頻率為4kHz，顯然本類型CPU是完全能夠滿足需求的，配以方便易用的向?qū)гO(shè)置功能，快速實現(xiàn)設(shè)備調(diào)速、定位等功能。在軟件編程上，西門子編程軟件強大功能基礎(chǔ)上，融入了較多的人性化設(shè)計，如新穎的帶狀式菜單、全移動式界面窗口、方便的程序注釋功能、強大的密碼保護等。在體驗強大功能的同時，大幅提高開發(fā)效率。本文采用S7-200 Smart PLC能夠在本體上的QO.o，Qo.l和Q0.3可組態(tài)的三軸lOOkHz的高速脈沖輸出下，實現(xiàn)步進電機的精確定位。

2.2 三軸定位運動方式總體要求

為了提高控制的精確度，減少由于工程上相關(guān)控制設(shè)備或探測裝置因為所處的位置及距離不準(zhǔn)確而引起的測量誤差，對于不僅電機的控制采用的三軸定位控制。所謂的三軸，顧名思義，實際控制的三個方向上，即坐標(biāo)軸的X、Y、Z方向。如圖1所示。

X-Y-Z三軸協(xié)調(diào)步進電機的伺服控制系統(tǒng)采用上述的S7-200 Smart PLC、伺服驅(qū)動器、步進電機、編碼器、位置傳感器等模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，通過實時改變輸入的進給脈沖數(shù)量、頻率、方向，然后通過步進電機、伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)運行設(shè)備的位移量、運行速度和方向控制的目的。三軸定位運動方式主要有4個功能：

（1）運動裝置能夠?qū)崿F(xiàn)“開始”、“停止”、“復(fù)位”功能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)手動和自動的自由切換。

（2）在完成系統(tǒng)的復(fù)位后，在自動控制方式下，X軸、Y軸、Z軸需要按照圖1所示的運動軌跡進行運動。

（3）若是采用手動操作時，可以實現(xiàn)控制設(shè)備的上下、左右、前后的點動運動控制。

（4）X軸、Y軸、Z軸在完成了兩個工位后回到原點，工作臺一周期運動結(jié)束。

2.3 步進電機

兩相步進電機是定位系統(tǒng)最基本的執(zhí)行元件，體積小、轉(zhuǎn)矩大，專門針對RD系列驅(qū)動器設(shè)計。步進電機與驅(qū)動器阻抗匹配可以最大限度地發(fā)揮驅(qū)動器的驅(qū)動能力，提高運行效率。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

將S7-200 Smart PLC的三個引腳Q0.0，Q0.1和Q0.3分別連接三個步進電機驅(qū)動器，Q0.2、Q0.7和Q1.0作為方向控制信號接連接。此時得到的步進電機與驅(qū)動器之間的電路連接如圖2所示。

從電路中可以看到，整個系統(tǒng)的驅(qū)動部分分為步進電機驅(qū)動器和步進電機。本文采用的步進驅(qū)動器為RD-023MS驅(qū)動器，該驅(qū)動器將控制器來的信號放大、變換，用來驅(qū)動步進電機，通常情況下，驅(qū)動器性能的好壞將直接決定了步進電機定位的準(zhǔn)確性。該驅(qū)動器屬于兩相步進驅(qū)動器，采用脈沖輸入方式，相對控制較為簡單。RD-023MS驅(qū)動器中的細分點是能夠選擇，若采用最大400細分，則此時獲取的最小定位角度步距為1.8° /400=0.0045°，所以獲得的步進電機控制精度非常高，對于無振動驅(qū)動場合比較適用。RD-023MS從CPU中接收到的脈沖信號和方向信號經(jīng)過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后得到了角位移和轉(zhuǎn)動的方向，此時RD-023MS每接收到一個脈沖，步進電機就會進給一個步距角。所以，若需要對位置進行控制時，只需要知道需要運行的位移，然后通過轉(zhuǎn)換成為脈沖個數(shù)，在三軸上可以轉(zhuǎn)換為水平位移，從而實現(xiàn)步進電機的具體位置的控制。對于電機的速度控制主要是通過改變脈沖的占空比。電機的運行正反轉(zhuǎn)是通過改變脈沖的方向而實現(xiàn)的。

需要注意的是，從理論中分析，RD-023MS驅(qū)動器每接收到一個脈沖信號步進電機就會運行一個步距角，但是在實際工程應(yīng)用中有時會出現(xiàn)脈沖信號變化過于迅速，因為步進電機的轉(zhuǎn)動慣量較大導(dǎo)致無法適應(yīng)脈沖的快速變化，從而出現(xiàn)丟步或者堵轉(zhuǎn)發(fā)熱情況，所以在實際應(yīng)用步進電機時，在啟動過程中需要有一個緩慢過渡階段，停止時也需要有一個減速過程。

由于西門子PLC的輸出信號是+24V，而伺服驅(qū)動的控制信號是+5v，因而需要在PLC和伺服驅(qū)動器之間串聯(lián)一只2KQ的電阻，起分壓作用，使輸入信號接近+5V，且由于西門子PLC是PNP接法，故PLC和伺服驅(qū)動器之間必須采用共地連接，否則無法形成回路。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在對步進電機伺服控制的程序設(shè)計中采用的是PLC開發(fā)軟件STEP7-Micro/WINSmart，該軟件能夠提供靈活的編程方式以及較為豐富的編程指令，在實際編程中能夠讓復(fù)雜問題簡單化。

在實際控制時要求系統(tǒng)既能實現(xiàn)手動操作也可以采用自動操作。所謂的手動操作就是單步執(zhí)行，該操作主要用于對各軸動作位置參數(shù)的修改以及維修時的手動工作，調(diào)試系統(tǒng)各單元模塊功能是否正常以及運行效果。自動操作也稱之為全速運行，該方式能夠循環(huán)連續(xù)執(zhí)行。在程序設(shè)計時，需要完成一下功能：

（1）初始化：主要是設(shè)置步進電機各軸的具體位置、電磁閥的開關(guān)狀態(tài) 以及位置傳感器的初始狀態(tài)。

（2）啟停控制：在系統(tǒng)上電操作后，系統(tǒng)能夠較為穩(wěn)定的啟動，然后設(shè)置“自鎖”和“互鎖”模式，從而使得在電機出現(xiàn)異常運行時能夠自動且快速的停止。

（3）原點歸零：該功能分為三種情況實現(xiàn)，其一是突然斷電，此時容易出現(xiàn)再啟動時發(fā)生碰撞，此時需回到零點;其二，三個方向的電機都不在原點;其三，有一個電機在原點。處理情況一和二主要依賴于X軸和Y軸的聯(lián)動讓三個電機全部歸零;情況三主需要考慮X軸和Y軸，只需要移動其中一個方向的電機即可通過限位開關(guān)和位置傳感器回到原點。

（4）位置控制：將三軸投影于二維平面，且此時只考慮X軸和Y軸的運動軌跡，如圖3所示。從點A到B存在兩種路徑，一是從A-B，需要兩軸同時運動，二是從A-C-B，只需要單軸運動，即X軸運動后Y軸再運動。經(jīng)過分析第一種路徑更加高效。

（5）速度控制：本文采用開環(huán)控制，既簡單易行也能節(jié)省成本，步進電機在啟動時必須處于低速狀態(tài)下，然后才能慢慢加速。停止時也需要有個減速過程。只有啟停運行適合才能夠讓裝置精準(zhǔn)的到達指定位置。在從起點移動到終點的過程中，電機的加速過程要盡可能短，然后進入勻速階段，此階段要盡可能長，如果移動的距離較短，可以沒有高速勻速階段。后半段為電機的減速階段。

5 結(jié)束

步進電機是在日常生活中應(yīng)用較為廣泛，在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用較為關(guān)鍵。目前，對于步進電機的精確控制正備受關(guān)注。本文以S7-200 Smart CPU作為控制核心，以三軸定位為控制方法，分析研究步進電機的控制。從實際工程中可知，三軸定位對步進電機的速度、精度以及可靠性都有較好的控制效果。在實際工程應(yīng)用中具有一定的借鑒意義。

參考文獻

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