基于PLC的步进电机运动控制系统的设计.pdf

第 3 8 卷第 6 期 2 0 1 0年 1 2月 现 代 冶 金 M od e r n M e t a l l u r g y Vo1 ．3 8 No． 6 De c ．2 01 0 基于 P L C的步进 电机运动控制 系统的设计 刘海峰 安徽工业大学 ， 安徽 马鞍山 2 4 3 0 0 2 摘要 以 自动 配料 系统中配料 小车为例 ， 设 计了基于P L C控制 的步进 电机 运动控制 系统， 介绍 了 系统的硬件和软 件 实现方法。 系统采 用S 7 3 0 0 P L C和定位模块 F M3 5 3 。 关键词 P L C控制 ； 配料 ； 步进 电机 中图分类号 TM6 7 2 引 言 步进 电机是一种将脉冲信号变化成直线或角位 移的数 字 电磁 执行装 置 。步进 电机 的角位 移与输入 脉冲个数成正比， 其转速与脉冲频率成正比， 起转向 与脉冲分配到步进电机的各组绕组的相序有关。步 进电机具有结构简单、 无累计误差、 跟踪性能好 、 动 态响应快等特点 ， 广泛用于数控加工设备、 自动生产 线、 自动控制仪表 、 计算机及办公室 自动化设备 。对 步进 电机 的控制 ， 通常采用单 片机作为控制系统 的 微处理 器 ， 通 过一 些大 规模集 成 电路 来实 现实 现脉 冲输出， 从而实现对步进电机的运动控制 。 这种控制 方 案所 需 的周 边 器件 较 多 ，对 整个 系 统 的稳 定性 、 可靠性 和处 理速 度有较 大影响 。 而 采用 P L C作 为控 制器 ， 结合其专用定位模块F M3 5 3 设计步进电机的 数字运动控制系统 ， 可以大大减少系统设计的工作 量， 提高系统的准确性、 可靠性和快速性。 1 自动 配料 系统中配料小车控制任务 自动配料系统中配料小车的工作流程如图 1所 示 ， 配料 小车在 启 动前 位 于原 位 ， 找零 点位 置 。 然后 ， 小 车 由电机控制 到 1号位 ， 在 1号位装料 y 。小车 继 ．亘塑 煎堡． 0 原位 一0 1 号位02 号位0 3 号位 装料y o l 、 l 装料 装料 装料 图 1 配料 小车工作流程图 续行进到2号位 ， 装料y。 。 小车继续行进到3号位， 装 料y 。 。最后小车返 回原位卸料 y 。 ， 完成一次配料操 作 2 硬件设计 2 ． 1控制方 案设计 为了保证定位精度和定位的可靠性 ， 选择了S 7 3 0 0系列P I c、 定位模块 F M3 5 3和S t e p d r i v e C系列 步进驱动器以及S i e me n s五相混合式步进电机。控 制 系统原理 如 图 2所示 。 图2 配料小车控制系统 原理 图 在此系统中， 操作人员将作业指令通过触摸屏 发送 给 C P U， 步 进 电机定 位模 块 F M3 5 3再 把 C P U 发出的指令转化为内部指令， 并将其发送至步进电 机驱动器 ， 驱动器将弱电控制信号转换为强 电驱动 信号， 并用它来控制步进 电机的运动来完成小车的 整个配料过程。 此位置控制方式执行机构简单可靠， 系统 的兼容 性与可 靠性有 所保 障 。 2 ． 2 硬 件选 型及 性能 分析 2 ． 2 ． 1 CPU 模 块 本方案选择S i e me n s的模块化中小型P L C系统 s 7 3 0 0 。 它能满足中等性能要求的应用 ， 其具有如下 收稿 日期 2 0 1 0 0 1 1 2 作者 简介 刘海 峰 1 9 7 8 一 ， 男 ， 工程师 。电话 1 3 9 5 1 6 8 9 6 6 0 第 6 期 刘海 峰 基于 P L C的步进 电机运动控制 系统 的设 计 5 7 特点 1 配置灵 活 配有 8种不同档次 的C P U模块 及 多种 功能 模板 ， 用 户 可根据 不 同 的控 制 要求 ， 选 择 不 同 的模块 组成 各种 规模 的控制 系统 。 2 扩展 功 能强 单 机 架 配 置 时 ， 最 多装 8个 模 板 ， 2 5 6 个 I ／ O 点 ； 多机 架 配置 时 ， 最多 】0 2 4个 I ／ O 点 ； 若 使 用 P r i f i b u s D P分 布式 系统 ， 最 多 可连 接 6 5 5 3 6个 I ／ O 点 。 3 通 信 联 网能 力 强 多点 接 口 MP I 可 用 S 7 3 0 0 C P U 与 P G／ P C、 HMI以及 其他 S 7 ／ C 7 ／ Wi n AC 自动化 系 统通 讯 ， 最 多 可 连接 3 2个 MP I 节点 ， 并 可 利 用 MP I 、 P r o f i b u s和 以太 网组 网等 。 4 编 程 方 法 灵 活 编 程 器 可 通 过 两 种 接 口 MP I 、 DP 接入 ， 对几 个C P U 进行 操作 ， 并 可进行 硬 件 组态 和编 程 。 2 ． 2 ． 2位 置 控 制 模 块 为 了保 证定 位精 度 和定 位的 可靠 性 ， 选 择 了S 7 3 0 0系列 的步进 定 位模 板 F M3 5 3 。 F M 3 5 3控 制 器 是 s 7 3 0 0系 列 P I c 的 功 能 模 板 ， 硬件接 口提供最大 2 0 0 K的脉冲输出， 同时提供 可 编 程 4 D I ／ 4 DO， 一 般 用 于参 考 点 接近 、 使 能 、 限位 等信号的连接。 F M 3 5 3是通 过 步进 电机 ， 实现 各种 定 位 任务 的 智 能模 块 。它 可 以实 现任 何从 简 单 的点到 点定 位到 对响应、 精度和速度有极高要求 的复杂运动模式 ， 是 高 速机 械设 备定 位任 务 的理想 解 决方案 。步进 电机 的 F M 3 5 3定 位 模 块 可 以用 于进 给 轴 、 调 整 轴 、 设 定 轴 和传送 带 式轴 直线 和 旋转 轴 等 。 F M3 5 3定位 模 块通 过 给步进 电机 发 送控 制脉 冲来 控制 步进 电机 的 速 度 ， 通 过脉 冲频 率对 步进 电机调 速 。 F M3 5 3软 件 编 程 接 口 提 供 4个 专 用 功 能 块 ， P O S I NI T 模 块 初 始 化 ， P O S C T R L 模 块 控制 ， P OS DI AG 模 块诊 断 和一 个 用 户数 据 类 型 接 口 UDT 程 序 中需 要 根 据 UDT 创 建 背 景 数 据 块 。 F M3 5 3具 有 7种 工 作 模 式 a J OG 手 动 模 式 ； b OP E N～ I OOP C TRI 开 环 控 制 模 式 ； c RE F P OI NT AP P R OA C H 参 考 点 逼 近 模 式 ； d I NC R E ME NT RE I ATI VE 相 对 增 量 定 位 模 式 ； e MDI -T -动 数 据 输 入 模 式 ； f AUTOMATI C 自 动 NC 程 序 执 行 模 式 ； g AUTOMATI C S I G NAI B I OC K 自动 NC 程序 块模 式 。 3系统 软件设计 3 ． 1主程序 程序 设计 采 用 按 功 能划 分 的模块 化 结 构 ， 包 括 主程 序 、 F M3 5 3 定 位程 序 、 F M3 5 3 零 位子 程序 等 。 由于 F M3 5 3模 块 并 不 知道 外 部 机 械 装 置 的实 际位 置 ， 所 以在 系统开 始工 作 时 ， 需 寻找 轴 的参考点 初始 位 置 。此 时 F M3 5 3工 作 在参 考 点 接 近 模式 R e f e r e n c e P o i n t Ap p r o a c h 下 。 机 械轴 在步进 电机 的驱 动下 寻找 零 点位 置 ， 当位置 到达 后 ， 安装 于轴上 的 限位 开 关 将 同 步脉 冲 送 至 F M 3 5 3的数 字 量输 入 端。 至此轴的同步工作完成 ， 然后可以开始 自动工作 了 。 电机 的运 行速 度 、 行 程 以及运 行方 式 均在 编程环 境下 存储 于 F M3 5 3中 的数据 块 DB 1 O O 1 一DB 1 1 9 9 中。 自动模式 控制 程序 流 程如 图 3 所 示 。 图 3 控 制系统流程图 3 ． 2步进 电机 位移 纠偏 措施 此系统 采用 的 是开 环步进 电机控 制系 统 。为弥 补 开环 控制 的 不足 ， 防止 脉 冲丢 步 ， 在 小车 完成 一个 装 料循 环 ， 退 回卸料点 后 ， 步进 电机 重新 确认 原点 。 步 进 电机 的 齿轮 间 隙误 差 一 般 较 小 ， 可在 编 程 时 通过 脉 冲预 置的方 法 消除误 差 。 5 8 现代 冶 金 第 3 8 卷 3 ． 3 中断程序 F M3 5 3提 供 中断 输 入 功 能 ， 控 制 系 统 设 有 急 停 、 暂停 、 步 进 电机 前后 限位等信 号作 为外部 中断输 入， 当P L C检测 到这些信号时， 可根据故障等级执 行紧急停机、 安全停机和正常停机， 及 时处理故障 ， 确保设备和人身的安全。除P I c的C P U 故障外， 对 于一般故障， 系统应能保留故障前的数据状态 ， 可以 重 新投 入 自动运行 ， 对 于严 重故 障 ， 应能通 过设 计 的 手动和点动控制功能手动处理故障后的工序。 4 结束语 本设计 采用 S 7 3 0 0系列 P L C、 定 位模 块 F M3 5 3 和S t e p d r i v e C系列步进 驱动器 以及S i e me n s五相混 合 式步进 电机 组成 步进 电机运 动控制 系统 。整个 系 统 自动化程度高， 操作简单， 可靠性高 。可用于物料 运输 系统 工业 自动 化领域 。 参 考文 献 [ 1 ]刘 操守 ， 刘 彦鹏 ， 张雷 刚． 可编 程控 制器 技术 与应 用 [ M] ． 北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． E z 3 西门子s 7 3 0 0 参考手册 [ M] ． 西门子 中 国 有限公司． [ 3 ] 王永华． 现代电气控制及 P L C应用技术 E M3 ． 北京 北 京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 4 3 龙 尚斌 ， 吴泽华 ， 曹伟 华 ， 等． 步进电机开环驱 动F J 3 ． 机 械 与 电 子 ， 2 0 0 9 ， 9 2 6 2 8 ． E 5 3 温鹏俊 ， 戴终 勇．步 进 电机驱动 系统细分 驱动波形修 正 E J 3 ． 机 电工程 ， 2 0 0 7 ， 2 4 1 o l ～4 ．