基于S7-1200 PLC的步進電機位置控制

曹志成 張佩炯 翟逸飛

（蘭州資源環境職業技術大學，甘肅蘭州 730021）

0 引言

步進電機作為一種執行元件，廣泛應用于工業控制過程。其工作原理是將電脈沖信號轉換為相應的角位移或線位移[1]，從而達到精確定位和轉速控制的目的。步進電機的轉動角度與輸入脈沖的個數成正比，輸入脈沖個數越多，角位移量越大；其轉動速度由脈沖信號頻率決定，脈沖頻率越高，轉速越快。PLC作為一種專為工業環境設計的數字運算操作的電子裝置，通過控制其輸出端口產生的高速脈沖個數及頻率，對步進電機位置或速度進行精確控制，在工業自動化生產中的應用日益廣泛。

SIMATIC S7-1200系列可編程控制器是西門子公司推出的新一代PLC，采用模塊化設計，擴展靈活[2]，集成了強大的運動控制功能，能實現對步進電機的靈活配置及精確控制，其便捷的網絡通信功能，能實現人機交互，便于使用人員操作及遠程監控。

1 步進電機控制原理

1.1 步進電機轉速控制

步進電機的定子繞組每改變一次通電狀態，轉子轉過的角度稱“步距角”。步距角θs由式（1）表示。

式中：m為定子相數；Z為轉子齒數；C為通電方式。

當C=1時，單相輪流通電或雙相輪流通電；當C=2時，單雙相輪流通電。

由式（1）可以看出，步距角與定子相數、轉子齒數及通電方式成反比。定子相數、轉子齒數及通電方式的節拍數越多，則步距角越小。

混合式步進電機結合了永磁式和反應式步進電機的優點，又分為兩相、三相和五相[3]，兩相步距角一般為1.8°，三相步距角為0.9°，而五相步距角一般為0.72°。通過控制輸入脈沖的數量可以準確確定輸出的角位移以實現定位的功能[4]。

步進電機的轉速由驅動脈沖頻率控制，其轉速與脈沖頻率成正比，在細分驅動情況下，電機轉速n（r/min）由式（2）表示。

式中：P為脈沖頻率（Hz）；θs為步進電機步距角（°）；m為細分數（整步為1，半步為2）。

由式（2）可看出，通過控制步進電機輸入脈沖的頻率可以準確控制輸出的角速度從而達到調速的目的。本系統采用安川57HD3403兩相標準型混合式步進電機，該步進電機額定電壓24 V，額定電流3.0 A，額定轉速0～1 000 r/min，4線制，步距角1.8°。無細分時，轉動一圈需要200個脈沖（360°/1.8°=200）。步進電機采用整步，1細分時，如果輸入脈沖頻率為1 000 Hz，則電機轉速為（60×1 000）/（360/1.8）×1=300 r/min。

1.2 細分工作原理

步進驅動器是一種給步進電機發送驅動信號的功率放大器。步進電機每旋轉一個步距角，其繞組內部的電流將從零增大到額定值或者由額定值突降到零，表現為方波脈沖，一般通過恒流斬波的形式得到。電流的突變造成了電機轉矩的沖擊，另外方波電流中含有大量的高次諧波，這些都是步進電機產生振動和噪聲的原因。為減小振動和噪聲，一般通過對驅動電流進行細分來控制。

步進電機運行時，定子線圈通電產生磁場，轉子受電磁力作用而移動。控制定子線圈電流的大小，可使線圈磁場強度線性改變，從而達到減小步進電機每一步旋轉角度的目的，這就是細分的原理。和將繞組的額定電流全部接通或斷開不同，電流細分是額定電流為階梯式投入或切除。每次切換電流時，額定電流分N次投入或切除，每次上一個臺階或下一個臺階，轉子轉動N次才達到一個步距角，即為N細分。細分數越多，相電流越接近正弦曲線。

由于細分作用，步進電機完成一個固有步距角分成很多步，提高了步距均勻度，因此可以提高控制精度，使啟動性能變好；同時電流階梯式變化，降低了沖擊，減小了轉矩脈動，從而消除了低頻振動，使運行性能變優。

1.3 步進驅動器

本文采用數字式兩相步進驅動器DM542，其參數自動整定功能能在驅動不同電機時自動適配運行參數。脈沖信號控制端采用12 V或24 V供電時，可不串接電阻，簡化了接線。

步進驅動器DM542輸出8檔相電流，由撥碼開關SW1～SW3設定。安川57HD3403步進電機額定電流為3 A，業內認為該值為電流峰值，設置SW1、SW2、SW3分別為OFF、ON、OFF。

輸出16檔細分，最大細分數可達到25 000步數/轉，由四個撥碼開關SW5～SW8設定。一般認為當細分倍數大于4后，并不能提高電機定位精度，只是使電機轉動更平穩。因此，將細分設置為1 600步數/轉，撥碼開關SW5、SW6、SW7、SW8設置為OFF、OFF、ON、ON。

1.4 脈沖接收方向控制

步進電機的運動方向由PUL和DIR控制，步進驅動器采用脈沖端接收脈沖的方式，方向端利用電平信號來控制步進電機的運動方向，如圖1所示。

圖1 方向控制信號圖

步進驅動器DM542通過方向控制端子DIR的ON和OFF控制器電平高低，達到控制步進電機運動方向的目的。PLC脈沖發送與接收的方向必須一致。在PLC編程中，運行距離數值為正時，步進電機向正方向運動，數值為負時，步進電機向負方向運動。

2 步進電機控制系統簡介

本文所論述的步進電機控制系統由觸摸屏、西門子S7-1200 PLC、步進驅動器、步進電機、絲杠以及滑臺組成，其系統結構如圖2所示。

圖2 步進電機控制系統框圖

將MCGS觸摸屏通過工業交換機與PLC通信，設計MCGS組態界面，編寫PLC程序，從而實現步進電機的精確控制及監控。

利用觸摸屏可以省去大量的接線，減少PLC I/O口的使用，減少資源占用。當觸摸屏上的按鈕被按下時，觸摸屏會給PLC發送控制信號，如正反轉點動、絕對定位等，PLC收到數據判斷是否出錯，如果沒有出錯，執行命令，通過高速脈沖輸出端口向步進驅動器DM542發出高速PTO脈沖，從而驅動步進電機正反轉、復位錯誤、回歸原點、位置定位等動作。同時，PLC將動作過程及參數反饋給觸摸屏，MCGS可以直觀地顯示滑臺實時位置、運動速度、運動狀態。

步進電機和絲杠采用聯軸器直接連在一起，步進電機旋轉一圈，滑臺滑動4 mm的距離。步進電機的輸出角位移與輸入脈沖個數成正比，可以根據輸入脈沖個數確定角位移的大小，PLC通過計算發出脈沖個數從而準確地計算出滑臺所處的位置。該系統是一個開環控制系統，滑臺位置的確定依靠步進電機準確動作來控制。

3 硬件系統設計

3.1 I/O分配及功能

I/O分配及功能如表1所示。

表1 I/O分配及功能

3.2 PLC接線圖

步進電機位置定位控制選用西門子S7-1200系列的CPU 1214 DC/DC/DC作為控制器。它有14個輸入點、10個輸出點，具有4個高速脈沖軸，其強大的運動控制功能為步進電機的位置定位、轉速控制等提供了方便。PLC外圍電路接線如圖3所示。

圖3 PLC外圍電路接線圖

3.3 運動軸組態

以步進電機控制要求為依據，需要利用博途軟件中的工藝對象運動軸進行組態。在組態過程中，驅動器選擇PTO模式，輸入電機每轉的脈沖數，由于步進電機每旋轉一圈滑臺前進或后退4 mm，組態測量單位為毫米；步進電機的控制脈沖由Q0.0輸出，方向由Q0.4控制。滑臺行程較小，必須進行限位，輸入點1M必須接DC24 V電源負端，不然系統會誤判在限位位置，導致無法啟動軸。這里采用三線制限位開關進行左右限位，低電平有效，其控制端點接至I1.0、I1.1，當滑臺觸發I1.0或I1.1時，軸以急停減速度停止并顯示出錯信息，必須使用指令“MC_Reset”確認故障，重新啟動工藝對象。步進電機原點歸位對應I1.2，組態時必須勾選允許硬限位開關處自動反轉。之后可以將程序下載到PLC，可以下載軸組態，但建議將整臺設備的組態下載，操作如下：選中CPU后點擊下載，等到下載完成可以選擇調試—激活—啟用。這樣就可以嘗試點動控制電機了。

4 系統軟件設計

4.1 組態界面設計

根據步進電機控制要求，設計步進電機位置控制系統組態界面如圖4所示。

圖4 組態界面

本設計思路是通過以太網通信協議，由上位機監測顯示滑臺位置，并根據要求隨時提供控制信號。其主要功能參數有位置信息、JOG點動信息、軸定位、軸狀態顯示功能和復位操作。利用按鈕控制步進電機的運行，輸入框設置步進電機速度及位置，指示燈顯示運行狀態。具體如下：

（1）滑臺實際位置：在現實的工業控制中，若實施遠程監視控制，必須在人機界面上能顯示滑臺在軸上的實際位置信息，且需要提前設定左右限位的位置信息，為工作人員提供實時位置信息。

（2）實時數據處理：根據系統運行需要，可以實時監控位置狀態外，還需要進行必要的操作，這里設計了JOG點動速度、當前軸位置信息設定并顯示模塊，通過4個參數設置窗口分別設置參數，可進行步進電機的正反轉控制，軸定位位置信息和速度信息顯示，可進行絕對定位。

（3）狀態顯示：狀態顯示主要指的是軸狀態相關信息的顯示，包括步進電機上電指示燈、軸故障指示燈、JOG運行狀態顯示和絕對定位中顯示。這些指示燈可以直觀地展示軸狀態信息。

（4）復位功能：復位功能包括“錯誤復位”和“回原點”。

4.2 PLC程序流程

建立一個函數塊，用來開啟軸指令，主程序首先啟動使能，在觸摸屏設置參數、按下按鈕，如無錯誤，啟動PTO，觸發步進電機工作；如有錯誤，則需按下“錯誤復位”按鈕，重新啟動使能。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

5 結語

本文詳細介紹了基于S7-1200位置控制系統的總體結構、硬件系統和軟件系統設計，側重闡述了步進驅動器的驅動原理。在利用單軸控制步進電機的過程中，通過觸摸屏設定步進電機的移動距離、運動速度及方向、錯誤復位等參數。在步進電機運行過程中，其工作狀態同步顯示在觸摸屏上。實測證明，該系統具有運行可靠、高效的特點，系統定位準確、參數設置方便、狀態顯示同步。但步進電機作為位置控制用于開環控制系統，由于丟步或失步的原因，控制精度不夠，如果要精確控制，需要采用步進電機和編碼器配合，構成位置閉環控制系統或采用伺服控制系統，才能滿足對精確定位的要求。