EM253 位控模塊在步進電動機控制中的應用

徐鹿眉

(黑龍江工程學院，黑龍江哈爾濱150050)

0 PLC 控制步進電動機概述

步進電動機控制方法簡單，轉速與高速脈沖頻率成正比，角位移與脈沖個數相對應。西門子S7 －200PLC 晶體管輸出型具有2 個高速脈沖輸出端子，分別是Q0．0 和Q0．1，可輸出高速脈沖對步進電動機進行調速控制。S7－200PLC 輸出高速脈沖和高低電平2 組信號給步進電動機專用驅動器，步進電動機驅動器驅動步進電動機運動。S7－200PLC 主機CPU224 可輸出20 kHz 的高速脈沖，主機CPU224XP 可輸出200 kHz 的高速脈沖，可滿足步進電動機調速要求［1］。

在車床改造過程中，利用PLC 控制2 臺步進電動機實現機床橫縱工作臺的進給。但是S7－200PLC主機僅能對2 臺步進電動機進行調速控制，當步進電動機超過2 臺時，像銑床工作臺驅動時就需要3臺步進電動機，PLC 沒有足夠的高速脈沖輸出端子供電機調速。這樣必須尋找一種易于PLC 控制的可輸出高速脈信號的器件來實現步進電動機的調速控制。位控模塊EM253 可以滿足這項功能要求。

1 EM253 位控模塊

EM253 位控模塊作為S7－200PLC 的特殊功能模塊，能夠輸出高速脈沖串，輸出的高速脈沖串從每秒12 個到200 000 個脈沖;支持急停功能，具有線性加速和減速功能;廣泛應用于步進電動機和伺服電動機的速度或位置控制。基于上述優點，選用EM253 進行步進電動機控制不單純是為了增加一個高速脈沖輸出口，在控制系統要求高的系統中EM253 能夠勝任更高的控制要求。

2 控制系統硬件設計

本文以銑床三軸工作臺為例介紹EM253 在步進電動機控制中的應用。

2.1 控制系統總體方案設計

銑床三軸工作臺控制系統總體框圖如圖1 所示，CPU224 發出2 路高速脈沖信號，Q0．0 和Q0．1 分別控制步進電動機驅動器SH－22206A，進而分別對X軸和Y 軸步進電動機進行調速。Q0．2 和Q0．3 為高低電平信號，用來控制步進電動機轉向。Z 軸步進電動機的控制通過EM253 位控模塊來實現。 EM253 與 CPU224通過專用扁平擴展電纜連接，CPU224 的轉速和方向等控制信號均通過專用扁平擴展電纜傳送給步進電動機驅動器。

圖1 控制系統總體框圖

2.2 PLC 控制路設計

PLC 主機CPU224 硬件接線圖如圖2 所示。按鈕SF 用來控制電機的起動、停車和換相等。主機電源和輸入電源接+ 24 V(DC)，輸出電源接+ 5 V(DC)。Q0. 0、Q0．1、Q0．2 和Q0．3 輸出接步進電動機M1 和M2 的驅動器。如果應用光電碼盤進行步進電動機轉速和角位移測量，根據PLC 高速脈沖輸入工作模式選擇固定的輸入點進行接線，把控制按鈕的位置和相應地址分配變化即可。

圖2 CPU224 接線圖

2.3 EM253 接線圖設計

步進電動機是由EM253 位控模塊控制的。EM253 端口P0、P1 發出控制步進電動機方向、速度的脈沖，連接到步進電動機后可實現控制步進電動機的運動方向和速度。EM253 接線圖如圖3 所示，P0 + 和P0－分別接步進電動機驅動器的CP + 和CP －，P1 + 和P1－分別接步進電動機驅動器的DIR+ 和DIR －。 SH －22206A 沒有使能端子，驅動器如有使能端子，則DIS 與其相連。

圖3 EM253 接線圖

2.4 步進電動機驅動器電路設計

本設計所選用的步進電動機是和利時公司的110BYG250C－SAHRHA－0402 步進電動機，此電機是兩相混合式步進電動機。它具有體積小、轉矩高、振動低等優點，驅動電壓為220 V(AC)，相電流為4 /6A［2］。與其配套的驅動器選擇該公司的森創SH－22206A，工作電壓為80～220 V(AC)，輸出電流4 /6 A，最大細分為32 細分。步進電動機驅動器SH－22206A 與步進電動機接線圖如圖4 所示。CP + 和CP －接EM253 速度控制信號，DIR + 和DIR－接EM253 方向控制信號。

圖4 步進電動機驅動器電路圖

3 步進電動機控制程

PLC 高速脈沖輸出指令具有兩種控制方式:等脈寬高速脈沖串輸出(PTO)和脈寬可調脈沖輸出(PWM)。PLC 直接控制2 臺步進電動機調速應用PTO 輸出。程序設置的特殊儲存器位，激活由控制位定義的脈沖操作，從Q0．0 或Q0．1 輸出高速脈沖，高速脈沖串輸出PTO都由PLS 命令激活輸出。每個PTO 發生器對應專門的特殊寄存器，PTO 特殊寄存器有三種，即控制字節寄存器、狀態字節寄存器和參數數值寄存器。PTO 特殊寄存器可用來控制PTO 的輸出形式，并且能夠反映輸出狀態和參數值的變化情況，其變化情況對步進電動機下一步操作有指導意義。

位控模塊程序編寫使用STEP 7－Micro /WIN位控模塊向導，通過位控模塊向導完成對EM253 的設置，生成位控模塊所使用的所有相關組態和移動包絡表信息。這些信息和程序塊被一同下載到S7－200PLC 的存儲器中，位控模塊所需要的全部信息都存儲在PLC 中，這樣當位控模塊更換時不必再重新進行編程或組態，使操作更加簡單、方便。

STEP 7－Micro /WIN 為位控模塊的組態和編程提供便捷的工具，遵循以下步驟:［3］

(1)位控模塊組態

STEP 7－Micro /WIN 軟件提供專門的EM253位控向導，操作方法簡單、易懂，根據向導進行操作生成組態/移動包絡表和位控指令。

(2)位控模塊測試操作

利用STEP 7－Micro /WIN 軟件提供的EM253位控模塊控制面板，可以對位控模塊的輸入輸出接線組態和移動路徑的執行情況進行測試。

(3)S7－200 的執行程序創建

位控向導自動生成位控指令，可以將這些指令插入控制程序中，以下指令插入程序當中。指令及功能如表1 所示。用SM0．0 始終接通以確保POSx_CTRL 指令在每一個循環周期中都得到執行。

表1 位控模塊指令及功能

(4)編譯程序并將系統塊、數據塊和程序塊下載到S7200

位控模塊向導設置先要選擇CPU 類型，再選擇脈沖數值、脈沖時間等。再在梯形圖中加入EM253子程序模塊POSO_CTRL，允許程序啟動EM253 命令的其他子程序。

位控模塊配置向導生成的S7－200 定位控制指令POSx_CTRL 梯形圖程序部分程序段如圖5 所示。

圖5 POSx_CTRL 程序

4 結 語

銑床三軸工作臺在實際銑床改造中得到應用，改造過程簡單，可提高銑床的自動化程度。本文以銑床三軸工作臺步進電動機控制系統為例介紹了EM253 位控模塊的應用方法，給出了相關的電路圖和程序。EM253 位控模塊作為專門的位置控制模塊，在PLC 缺少高速脈沖輸出端子時應用非常關鍵，其更適用于控制要求高的步進電動機系統中，另外也可應用于交流伺服電機控制系統。

［1］ 西門子(中國)有限公司．SIMATIC S7－200 可編程序控制器系統手冊［M］．北京:西門子(中國)有限公司，2008．

［2］ 和利時公司．森創兩相混合式步進電機細分驅動器SH －22206A 操作手冊［M］．北京:和利時公司，2010．

［3］ 西門子(中國)有限公司．EM253 位控模塊操作手冊［M］．北京:西門子(中國)有限公司，2005．