基于PLC的步进电机控制系统设计.pdf

2 0 1 4年第4期 工业仪表与自动化装置 8 7 基 于 P L C的步进电机控制 系统设计 毛昀 ， 杨峰 新疆工程学院 电气与信息工程 系， 乌鲁木齐 8 3 0 0 1 1 摘要 基于设计步进 电机控制 系统的 目的 ， 主要设计 以 P L C为核心控制 器的步进电机控 制 系 统。在对常见的三相反应式步进 电动机工作原理详 细阐述 的基础上 ， 对步进 电机 的控制原理进行 分析说 明。以西门子 s 7 2 0 0系列 P L C对步进 电机的控制为例 ， 通过对 s 7 2 0 0系列 P L C的高速 输 出点直接对步进 电机进行运动控制的方案设计 ， 设计相应的外部接线 图、 程序 ， 并对具体的控制 参数进行说明。 关键词 步进电机 ； 磁 阻转矩 ； 单片机 ； P L C； 高速输 出点 中图分类号 T N 0 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 4 0 4 0 0 8 7 0 3 De s i g n o f s t e p b y- - s t e p mo t o r c o n t r o l s y s t e m ba s e d o n PLC MAO Yu n，YANG F e n g X i n j i a n g E n g i n e e r i n g C o l l e g e ，U r u m q i 8 3 0 0 1 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Fo r t he p u r po s e o f d e s i g n s t e p p e r mo t o r c o n t r o l s y s t e m ，t h i s p a p e r ma i n l y d e s i g n PL C a s t h e c o r e c o n t r o l l e r o f s t e p p e r mo t o r c o n t r o l s y s t e m．T he a na l y s i s a nd e x pl a n a t i o n a b o u t t h e s t e p pe r mo t o r c o n t r o l s y s t e m d e pe n ds o n t h e t h r e e ph a s e r e a c t i o n s t e p c o mmo n mo t o r wo r k i n g p r i nc i p l e o f t h e d e t a i l e d e l a bo r a t i o n o n t he s t e p p e r mo t o r c o n t r o l p rin c i p l e ．Ta ki ng t he S i e me n s S 720 0 s e rie s PLC t o c o nt r o l t he s t e p p e r mo t o r a s a n e x a mp l e ．Th r o u g h h i g h s p e e d o u t p u t p o i n t s o f S 7 2 0 0 s e rie s PLC d i r e c t l y t o t h e mo - t i o n o f t he s t e p p e r mo t o r c o n t r o l p r o g r a m d e s i g n，d e s i g n a p pr o p ria t e e x t e r na l wi rin g d i a g r a ms，p r o c e d u r e s a n d ma k e a s p e c i f i c d e s c r i p t i o n a b o u t t h e c o n t r o l p a r a me t e r s ． Ke y wor dss t e p p e r mo t o r ；r e l u c t a n c e t o r q u e；s i n g l e c h i p mi c r o c o mp u t e r ；PLC；hi g h s p e e d o u t p u t 0 引言 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移 或线位移的机电元件。步进电动机的输入量是脉冲 序列 ， 输出量则 为相应 的增量位移或步进运动 。正 常运动情况下 ， 它每转一周具有 固定的步数 ； 做连续 步进运动时， 其旋转转速与输入脉冲的频率保持严 格的对应关 系， 不受 电压波动和负 载变化 的影 响。 因此步进电机具有快速启停、 精确步进以及能直接 接收数字量的特点。由于步进电动机能直接接受数 字量的控制， 所以特别适宜采用微处理器、 微机及 P L C进行控制 。 1 步进电机工作原理 目前常用的有 3种步进电动机 1 反应式步进 收稿 日期 2 0 1 4 0 41 7 作者简介 毛 昀 1 9 8 3 ， 女 ， 新疆 乌鲁木齐 人 ， 助教 ， 学士 ， 研 究 方向为 自动控制。 电动机 V R 。反应式步进 电动机 结构简单 ， 生产 成本低， 步距角小； 但动态性能差。2 永磁式步进 电动机 P M 。永磁式步进电动机出力大， 动态性 能好； 但步距角大。3 混合式步进电动机 H B 。 混合式步进电动机综合 了反应式、 永磁式步进电动 机两者的优点 ， 它的步距角小 ， 出力大， 动态性能好 ， 是 目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁 感应子式步进电动机 。 图 1是最常见 的三相反应式步进 电动机的结构 示意图。图中 1 ， 2 ， 3分别为 电动机的定子 、 转子和 绕线线圈。电机的定子上有 6个均布的磁极， 其夹 角是 6 O 。 。各磁极上套有线圈 ， 如 图连成 A、 B 、 C三 相绕组。转子上均布4 0 个小齿。所以每个齿的齿 距为 0 3 6 0 。 ／ 4 09 。 ， 而定 子每个磁极 的极 弧上 也有5个小齿， 且定子和转子的齿距和齿宽均相同。 由于定子和转子的小齿数 目分别是 3 O和 4 O ， 其比 值为一分数， 从而产生了所谓的齿错位的情况。如 图所示 ， 若 以 A相磁极小齿 和转子 的小齿 对齐 ， 那 8 8 工业仪表与自动化装置 2 0 1 4年第 4期 么 B相和 C相磁极的齿就会分别和转子齿相错 1 ／ 3 的齿距 ， 即3 。 。B、 C极下的磁阻会 比 A磁极下的磁 阻大。假如给 B相通 电， B相绕组会产生定子磁场 ， 其磁力线穿越该相磁极 ， 并会按磁 阻最小的路径 闭 合 ， 这就使转子受到磁阻转矩 反应转矩 的作用而 转动 ， 直到 B磁极 上的齿 与转子齿对齐 ， 恰好 转子 转过 3 。 ； 此时 A、 C磁极下的齿又分别与转子齿错开 1 ／ 3齿距。此时停止对 B相绕组通 电， 而改为 c相 绕组通电， 同理受磁 阻转矩的作用 ， 转子按顺时针方 向再转过 3 。 。依次类推 ， 当三相绕组按 A B c A顺序循环通电时 ， 转子会按顺时针方向， 每个通电 脉 冲转动 3 。 的规 律步进式转动 起来。若改变通 电 顺序 ， 按 A C B A顺序循 环通 电， 则转子就按 逆 时针方 向以每个通 电脉 冲转 动 3 。 的规律 转动 。 因为每一瞬间只有一相绕组通 电， 并且按 3种通电 状态循环通电， 称为单三拍运行方式。单三拍运行 时的步矩角 0 为 3 0 。 。除此以外三相步进电动机还 有两种通电方式 ， 分别是双三拍运行 ， 即按 A B B c C A A B顺序循环通电的方式和单、 双六拍运行 ， 即按 A A B B B C C C A A顺序循环通 电 的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。 B C 图 1 三相反应式步进 电机结构不意 图 反应式步进 电动机的步距角可按下式计算 J 0 6 3 6 0 。 ／ N E ， 1 式 中 E 为转子齿数 ； N为运行拍数 ， Nk m， 17 l, 为步 进 电动机的绕组相数 ， 1 或 2 。 2 步进电机的控制原理 步进电机作为一种控制精密位移及大范围调速 专用的电机 ， 它 的旋转是 以 自身 固有的步距角 转 子与定子的机械结构所决定 一步一步运行 的，其 特点是每旋转一步 ， 步距角始终不变 ， 能够保持精密 准确的位置 。所 以无论 旋转 多少次 ， 始终没有积累 误差。由于控制方法简单 ， 成本低廉 ， 广泛应用于各 种开环控制 。步进电机的运行需要有脉冲分配 的功 率型电子装置进行驱动 ， 这 就是步进 电机驱动器 。 它接收控制系统发 出的脉冲信号 ， 按照步进 电机的 结构特点 ， 顺序分配脉冲， 实现控制角位移、 旋转速 度 、 旋转方 向、 制动加载状态、 自由状态 。控制 系统 每发一个脉冲信号， 通过驱动器就能够驱动步进电 机旋转一个步距角。步进电机的转速与脉冲信号的 频率成正比。角位移量与脉冲个数相关。步进电机 停止旋转时， 能够产生两种状态 制动加载能够产生 最大或部分保 持转矩 通 常称为刹车保 持 ， 无 需 电 磁制动或机械制动 及转子处于 自由状 态 能够被 外部推力带动轻松旋转 。步进电机驱动器必须与 步进 电机的型号相匹配 ， 否则将会损坏步进 电机及 驱动器 J 。步进 电机典型控制原理如图2所示 。 L 塑 ． 图 2 步进 电机控制原理 图 1 控制换相顺序 J 通电换相这一过程称为脉冲分配 。例如 三相 步进电机的三拍工作方式 ， 其各相通 电顺序为 AB cD， 通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别 控制 A， B， C， D相的通断。 2 控制步进电机的转 向 如果给定工作方式正序换相通电 ， 步进电机正 转 ， 如果按反序通电换相 ， 则电机就反转 。 3 控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲， 它就转一步 ， 再发一个脉冲 ， 它会再转一步。2个 脉冲的间隔越 短 ， 步进电机就转得越快 。调整脉冲频率 ， 就可以对 步进电机进行调速 。 4 控制步进电机的角位移 控制输入给步进电机的脉冲数 目可以控制步进 电机的角位移。 3 步进电机的 P L C控制 随着微 电子技术 和计算机技术的发展 ， 可编程 序控制器有了突飞猛进 的发展 ， 其功能 已远远超 出 2 0 1 4年第 4期 工业仪表与自动化装置 8 9 了逻辑控制、 顺序控制 的范 围， 它与计算 机有效结 合， 可进行模拟量控制， 具有远程通信功能等。有人 将其称为现代工业控制 的三 大支柱 即 P L C、 机器 人 、 C A D ／ C A M 之 一。 目前 P L C已广泛 应 用 于冶 金、 矿业、 机械、 轻工等领域， 为工业自动化提供了有 力的工具 。 以西门子 s 7 2 0 0 P L C为例， 可以使用 s 7 2 0 0系列 P L C的高速输出点直接对步进 电机进行运 动控制。s 7 2 0 0系列 P L C配有 2个 P T O ／ P WM发 生器 ， 它们可以产生一个高速 脉冲串或者一个脉冲 调制波形 。一个发生器 的输 出点是 Q O ． o ， 另一个发 生器输出点是 Q o ． 1 。当 Q o ． 0和 Q 0 ． 1 作为高速输 出点时， 其普通输出点被禁用， 此时输出的波形不受 输出映像寄存器的状态、 输出强制和立即输出指令 的影响。而当不作为 P T O ／ P WM发生器时 ， Q 0 ． 0和 Q o ． 1 可作为普通输 出点使用 。一般情 况下 ， P T O ／ S Q1 S B l S B2 P WM输出负载至少为 1 0 ％的额定负载。 脉冲输出指令 P L S 配合特殊存储器用于配置 高速输出功能。这些特殊寄存器分为三大类 P rr 0 ／ P WM功能状态 字、 P T O ／ P WM功能控 制字 和 P T O ／ P WM功能寄存器。脉冲串操作 P T O 按照给定的 脉冲个 数 和 周期 输 出一 串方 波 占空 比 5 0 ％ 。 P T O可以产生单段脉冲串或者多段脉冲串 使用脉 冲包络 。P T O脉冲个数范围为 1 4 2 9 4 9 6 7 2 9 5 ， 周期为 1 0～ 6 5 5 3 5 s 或者 2～ 6 5 5 3 5 ms 。 某设备上有一套步进驱动系统 ， 步进驱动器的 型 号 为 S H 一2 H 0 4 2 M a ， 步 进 电 动 机 的 型 号 为 1 7 HS 1 1 1 ， 是两相 四线直 流 2 4 V步 进 电动 机。要 求 压下按钮 S B 1时 ， 步进电机带动设备运行 ， 当设 备靠近接近开关 S Q 1时停止。P L C与步进驱动器 和步进电动机 的接线如 图3所示 。 ◇ 2- - lN l L 一 ’ 步 讲 矾 动 器 一 Q0．0 CP __J ； l 三 CP A I．．．．．．．．．．一 10．0 Qo．1 Qo ．2 I I D 强 A ～ I O ． 1 Q o ． 3 ～上0 V l- - - D I R B ， 、 ～ u 一 Q o ．4 音 I 1 毒 V B 1o ．2 Q O ． 5 V 一 山 Q 0 ．6 I 1 M O V 图3 P L C与驱动器和步进电动机的接线图 系统选用的是两相四线 的步进 电机 ， 其引 出线 分别与步进驱动器的A、 A一、 B、 B一 端子相连。 在该控制系统 中， P L C不能直接与步进驱动器相连， 因为步进驱动器的控制信号是 5 V， 而西门子 P L C 的输出信号是 2 4 V 。因此可以在 P L C与步进驱 动器中间串联一只 2 k Q的电阻 ， 起到分压作用。此 外， 步进驱动器有共阴和共阳两种接法， 与具体的控 制信号有关系， 西门子 P L C输出信号是 2 4 V信 号 ， 所以采用共阴极接法。 主程序 LD S MO．1 MOVB 1 6 85， S MB6 7 MO VW 2 5 0． S MⅥr 6 8 MOVW 8 0 0 0 0， S MD7 2 L D 1 0． 1 EU P T ．S 0 LD l O． U S BR __0 子程序 S B R _ 0 LD SM0． 0 MOVB 1 6 8 2， S MB6 7 R S M6 7． 7， 1 PLS 0 其 中， S MB 6 7是高速输 出点 Q O ． 0的 P r o控制 寄存器 。S MB 6 71 6 8 5的含义是 P T O允许 、 选择 P T O模式 、 单段操作 、 时间基准为微秒 、 P T O脉 冲更 新和 P r O周期更新 。S MB 6 71 6 8 2的含义是 P T O 允许 、 选择 P T O模式 、 单段操作、 时间基 准为微秒、 V IO脉冲不更新和 P T O周期不更新。S M W6 8 2 5 0 的含义是 P T O为2 5 0 s 。S M D 7 2 8 0 0 0 0的含义是 P T O脉冲个数为 8 0 0 0 0 。 使用 P T O ／ P WM功能相关的特殊寄存器 S M需 下转第 9 8页 9 8 工业仪表与自动化装置 2 0 1 4年第4期 应电势 ， 从而测得相应的励磁导纳 y 。 和 y l 。 。 ， 由式 1 3 可算得 。 ， 该方法需要常规的电流负荷箱。 4 试验数据 选取 2台不同量 限的被检 电流互感器 ， 分别用 规程规定的间接法和前面所述的方法 1和方法 2进 行磁饱和裕度的测量， 测量结果如表 1所示。 表 1 磁 饱和裕 度的测量结果 6 0 0／ 5 A l O 0 o ／ 5 A ．1 ， ％ 8 ， { f ％ 6 ／’ 一 0．1 6 2 4． 2 3 0 ． 0 8 8 2． 1 7 0． 1 5 9 4． 0 4 0． 0 8 2 2 ． 1 4 被检互感器参数 1 L A Z B J一1 0 ， 6 0 0 ／ 5 A， 0 ． 5 级 ， 1 0 V A／ 2 ． 5 VA ， NO 0 5 47； 2 L A Z B J一1 0， 1 0 0 0 ／ 5 A， 0 ． 2 级 ， 1 0 V A ／ 2 ． 5 VA， NO 50 9 9。 由表 1 可知， 3种测量方法所测误差 均符合规 程规定的误差范围， 且方法 1和方法 2所测误差与 规程规定 的 间接 法所 测 结果 的差值 也 符 合规 程 规定 。 5 结语 综上所述 ， 电流互感器磁饱和裕度 的测量采用 间接测量的方法 ， 该文所述方法充分利用了实验室 和现场既有设备， 不需要宽量程的电流负荷箱， 也不 必准备不同规格的电流互感器二次绕组电阻的加倍 负荷 ， 很容易地实现磁饱和裕度的准确测量 。 参考 文献 [ 1 ] J J G 1 0 2 1 --2 0 0 7电力互感器[ s ] ． 国家质量监督检验 检疫总局 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 赵修 民， 赵屹涛． 间接法检定 电流互感器方法综述 [ c ] ． 首届电测与仪表学术发展方向研讨会论文集， 2 0 0 9 81 0． [ 3 ] 赵修民， 闰宪峰． 整体检定现场电流互感器检定装置 的探讨[ J ] ． 电测与仪表， 2 0 1 2 0 2 3 7 3 9 ． [ 4 ] 赵修民， 赵屹涛． 互感器校验仪[ M] ． 太原 山西科学 技术 出版社 ， 1 9 9 6 ， 上接第 8 9页 要注意以下几点 1 如 果 要 装 入 新 的 脉 冲 数 S M D 7 2 或 S MD 8 2 、 脉冲宽度 S MW7 0或 S M W8 0 或者 周期 S M W6 8或 S MW7 8 ， 应该在执行 P L C指令前装入 这些数值到控制寄存器 。 2 如果要手动终止一个正在进行 的 P T O包络 ， 要把状态字 中的用户终止位 S M6 6 ． 5或 S M7 6 ． 5 置 1 。 3 P T O状态字中的空闲位 S M 6 6 ． 7或 S M 7 6 ． 7 标志着脉冲输出完成。 4 小结 步进 电机在工业生产等诸多领域被广泛应用 ， 合理选择步进电机的控制方式是非常必要的。科学 合理地选择和设计步进 电机的控制方式 ， 必须先弄 清步进电机的基本工作原理。利用 P L C实 现步进 电机的控制程序简捷 、 清晰 ， 具有 良好 的控制效果。 但是， S 7 2 0 0系列的P L C要使用其高速输出点控 制步进电动机 ， 必须具备 两个条件 ， 一是 P L C必修 有高速输出点 ， 二是输 出点必须是晶体管输出， 继电 器输出的 P L C即使有高速输 出点也不能控 制步进 电机。此外 ， s 72 0 0系列 的 P L C集成的高速输 出 点的频率不够高， 使其使用范围有限。基于以上种 种 ， 在对步进电机控制系统进行设计时 ， 要根据具体 的控制要求选用合理 的控制方案。 参考文献 [ 1 ] 王丰． 机电传动控制[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 2 ] 魏雅． 基于单片机的步进 电机控制系统的研究[ J ] ． 电 子设计工程， 2 0 1 3 1 8 1 5 61 6 0 ． [ 3 ] 王志新． 电机控 制技术 [ M] ． 北 京 机 械工业 出版 社 ， 2 0 1 1 ． [ 4 ] 刘宝廷， 程树康． 步进电动机及其驱动控制系统 [ M] ． 哈尔滨 哈尔滨 工业 大学 出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 5 ] 宋锦． 步进电机的单片机控制方法[ J ] ． 武汉工程职业 技术学院学报， 2 0 0 6 ， 1 8 3 5 9 6 3 ． [ 6 ] 王淑英． s 72 0 0西门子 P L C基础教程[ M] ． 北京 人 民邮电出版社， 2 0 0 9 ． [ 7 ] 向晓汉 ， 陆彬． 西门子 P L C s 72 0 0 ／ 3 0 0 ／ 4 0 o ／ 1 2 0 0应 用案例精讲[ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 1 1 ． 6 朋 ∞