基于S7—300的步進運動控制系統研究

摘要：文章以S7-300型號的PLC為例，結合定時器和計數器作為脈沖發生器研究設計PLC對步進電機運動的控制。首先在SIMATIC Manager編程軟件中進行工序步驟的程序編寫，然后在PLCSIM V5.4仿真軟件中進行程序的仿真調試，最后將程序燒入PLC 的Flash EPROM中，經由與步進電機相匹配的驅動器來控制步進電機的運行。經驗證，可實現步進電機按照PLC中所編寫的工序步驟進行動作，完成啟動、慢正轉、快正轉、快反轉、慢反轉、停機等連續運動過程。

關鍵詞：PLC S7-300 步進電機 運動控制 接線圖

0 引言

作為執行機構，步進電機可以將電脈沖信號轉換成角位移，被廣泛用于數字控制等控制系統中。基于微處理器的PLC適用于工業環境，通過其內部存儲器可執行邏輯運算、定時、計數等操作指令[1]。隨著PLC功能不斷升級，其強大的組態功能實現了程序的模塊化和參數設置的可視化，降低了程序編制的復雜性和出錯率，用微小型PLC構成的各種步進電機運動控制系統具有控制簡單、運行穩定等特點[2]。若為PLC增加功能擴展模塊，無疑會增加產品成本。鑒于這一原因，本文研究一種結合定時器和計數器作為脈沖發生器實現用PLC控制步進電機運動功能的方法。

1 系統的總體設計

系統整體工作流程圖如圖1所示[3]。

系統硬件按功能分為四個部分：可編程序邏輯控制器、驅動器、步進電機和直流穩壓電源；系統程序設計部分則主要包括主程序、子程序、仿真調試、燒寫部分。此系統的核心控制部分選用S7-300的PLC，因此，系統程序設計是此運動控制系統的核心。

2 硬件的選擇與連接

所選用的設備主要有可編程序邏輯控制器、兩相混合式步進電機、兩相混合感應式步進電機驅動器、直流穩壓電源、數字萬用表和PC機等[4]，其運動控制系統原理圖如圖2所示。

在圖2中，S7-300系列PLC的CPU模塊選用CPU

314C-2DP；步進電機選用兩相混合式57BYG H0408型，

可設置0.9°/1.8°兩種步距角；選用的SJ-230M5型驅動器設置為2細分0.9°，相電流為2A；穩壓直流電源提供的直流電壓為24V，分別對PLC和驅動器提供直流電源，其中對于PLC連接驅動器模式，需在步進脈沖信號CP和方向電平信號DIR端上分別并聯上1.8k的電阻以限流，為驅動器內部光耦提供8-15mA的驅動電流[5]。

3 系統程序設計

在此研究中，設定步進電機的運行過程為：啟動→正向慢速運行→正向快速運行→反向快速運行→反向慢速運行→停止，要求通過S7-300型PLC實現這一連續運動過程。

3.1 I/O地址分配 在進行程序設計之前，為了便于程序編寫，需要對PLC系統的I/O信號進行地址分配，如表1所示。

3.2 系統程序編寫 PLC是模塊式結構，其程序編寫可進行模塊化，即將整個程序分為主程序和子程序兩部分進行編寫，以便調試與操作[3]。根據表1中I/O地址分配結果，進行程序編寫。

3.2.1 主程序OB1。程序開始之后，首先進行初始化。初始化包括消除沒有保持功能的位存儲器、定時器和計數器，消除中斷堆棧和塊堆棧的內容，復位保存的硬件中斷等。程序初始化之后，系統執行用戶已編寫程序的啟動組織塊OB1，完成用戶設定的初始化操作，并對所用到的脈沖計數器進行初始化，然后調用步進電機運動控制工序步驟的子程序FC1。在主程序OB1中，由于步進電機驅動器的細分為2細分，則電機轉子旋轉一周所用脈沖數為400，故計數器C0-C3的脈沖計數值設定為400。

3.2.2 部分子程序FC1。根據閃爍電路產生脈沖序列的思想，利用定時器產生步進電機在不同工作方式下所需要的脈沖序列，然后按照控制開關狀態輸出到各相對應的輸出點控制步進電機運動。

以正向慢速旋轉到正向快速旋轉為例，采用STL語言進行編寫的部分子程序FC1如下：①正向慢速旋轉。在正向慢速旋轉程序中，應用到兩個定時器（T1、T2）配合使用構成閃爍電路。首先對兩個定時器進行合理的時間分配，取脈沖信號的高低電平寬度均為40ms，此時產生的脈沖序列作為慢速運行的驅動信號；然后，設置計數器的計數值為400；最后，由計數器C0的輸出信號作為電機轉速改變的一個控制信號。②正向快速旋轉。在正向快速旋轉程序中，應用到兩個定時器（T3、T4）配合使用構成閃爍電路。首先對兩個定時器進行合理的時間分配，取脈沖信號的高低電平寬度均為10ms，此時產生的脈沖序列作為快速運行的驅動信號；其它部分與正向慢速旋轉部分程序相同。

4 實驗結果與總結

首先對所編寫的程序進行大量的仿真調試，當仿真結果基本達到預期目標時，再將程序燒寫到S7-300型的PLC存儲器中，在已搭建好的硬件電路中進行試驗，以下即是仿真調試與試驗運行中所觀察并記錄的結果，如圖3所示。

對于兩相步進電機，可以采用對A、B兩相進行間歇通電的方式進行控制，由圖3可知，寬脈沖是步進電機慢速運行的脈沖分配情況，而窄脈沖是步進電機快速運行的脈沖分配情況。通過記錄步進電機在各種運行方式下的轉速變化情況，可以繪制出步進電機的一個完整運行過程的速度變化圖，如圖4所示。由圖4可知，步進電機的轉速變化是直線上升或下降，這是由于314C-2DP型的PLC并沒有使用加速度功能。

在工業控制系統中對步進電機進行控制時，常常會采用步進電機驅動器對其進行控制，此時可以考慮輸出脈沖的頻率以及步進電機的轉向，而不用考慮各相的時序問題，因此，基于工業生產現場的條件下，為了獲取比較穩定的脈沖序列，可以采用PLC作為脈沖發生器，該型控制器不僅控制程序簡單，而且具有極強的抗干擾能力。

參考文獻：

[1]廖常初.S7-200 PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2007：1-23.

[2]王永華.現代電氣控制及PLC應用技術（第二版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：1-408.

[3]王濱生，孫晶.PLC在步進電機驅動系統中的應用[J].機床電器，2001（2）.

基金項目：黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12531524）。

作者簡介：

王中鮮（1982-），男，黑龍江人，工程師，博士研究生，主要從事電力電子技術、電機設計及驅動技術研究。