基于S7-200 Smart PLC的三軸定位系統的步進電機伺服控制設計

劉凱

摘要 為了能夠提高多臺電機協調性從而提高自動化系統的控制可靠性和精確度，本文以S7-2 00Smart CPU作為控制核心，以三軸定位為控制方法，分析研究步進電機的控制。從實際工程中可知，三軸定位對步進電機的速度、精度以及可靠性都有較好的控制效果。

【關鍵詞】S7-200 Smart 三軸定位 步進電機

1 引言

隨著工業自動化的快速發展，對于電機控制的精確度和速度要求越來越高。多軸協調運動控制與復雜曲面、曲軸的加工、纏繞機械、多軸聯動數控機床等設備密切相關。多臺電機之間協調性能的優劣直接影響系統的可靠性和控制精度。所以對于步進電機的伺服控制至關重要。

2 相關技術概述

2.1 S7-200 Smart簡介

S7-200 Smart系列控制器是西門子的一款標準型晶體管輸出型CPU，模塊內部集成了1個以太網接口、1個RS485接口、擁有可以擴展為3個的通信接口，能夠滿足小型自動化設備的連接觸摸屏、變頻器等外設。CPU模塊本體含有18個數字量輸入點和12個數字量輸出點，能夠最多集成3路高速脈沖輸出，頻率可以達到lOOkHz，支持PWM/PTO輸出方式以及多種運動模式，可自由設置運動包絡，如果按照運行時速900mm/s來進行計算，步進電機接收到4000個脈沖則旋轉一周，此時步進電機滑行距離為90mm，需要CPU提供的頻率為4kHz，顯然本類型CPU是完全能夠滿足需求的，配以方便易用的向導設置功能，快速實現設備調速、定位等功能。在軟件編程上，西門子編程軟件強大功能基礎上，融入了較多的人性化設計，如新穎的帶狀式菜單、全移動式界面窗口、方便的程序注釋功能、強大的密碼保護等。在體驗強大功能的同時，大幅提高開發效率。本文采用S7-200 Smart PLC能夠在本體上的QO.o，Qo.l和Q0.3可組態的三軸lOOkHz的高速脈沖輸出下，實現步進電機的精確定位。

2.2 三軸定位運動方式總體要求

為了提高控制的精確度，減少由于工程上相關控制設備或探測裝置因為所處的位置及距離不準確而引起的測量誤差，對于不僅電機的控制采用的三軸定位控制。所謂的三軸，顧名思義，實際控制的三個方向上，即坐標軸的X、Y、Z方向。如圖1所示。

X-Y-Z三軸協調步進電機的伺服控制系統采用上述的S7-200 Smart PLC、伺服驅動器、步進電機、編碼器、位置傳感器等模塊實現系統的閉環控制，通過實時改變輸入的進給脈沖數量、頻率、方向，然后通過步進電機、伺服驅動器，實現運行設備的位移量、運行速度和方向控制的目的。三軸定位運動方式主要有4個功能：

（1）運動裝置能夠實現“開始”、“停止”、“復位”功能，并且能夠實現手動和自動的自由切換。

（2）在完成系統的復位后，在自動控制方式下，X軸、Y軸、Z軸需要按照圖1所示的運動軌跡進行運動。

（3）若是采用手動操作時，可以實現控制設備的上下、左右、前后的點動運動控制。

（4）X軸、Y軸、Z軸在完成了兩個工位后回到原點，工作臺一周期運動結束。

2.3 步進電機

兩相步進電機是定位系統最基本的執行元件，體積小、轉矩大，專門針對RD系列驅動器設計。步進電機與驅動器阻抗匹配可以最大限度地發揮驅動器的驅動能力，提高運行效率。

3系統硬件設計

將S7-200 Smart PLC的三個引腳Q0.0，Q0.1和Q0.3分別連接三個步進電機驅動器，Q0.2、Q0.7和Q1.0作為方向控制信號接連接。此時得到的步進電機與驅動器之間的電路連接如圖2所示。

從電路中可以看到，整個系統的驅動部分分為步進電機驅動器和步進電機。本文采用的步進驅動器為RD-023MS驅動器，該驅動器將控制器來的信號放大、變換，用來驅動步進電機，通常情況下，驅動器性能的好壞將直接決定了步進電機定位的準確性。該驅動器屬于兩相步進驅動器，采用脈沖輸入方式，相對控制較為簡單。RD-023MS驅動器中的細分點是能夠選擇，若采用最大400細分，則此時獲取的最小定位角度步距為1.8° /400=0.0045°，所以獲得的步進電機控制精度非常高，對于無振動驅動場合比較適用。RD-023MS從CPU中接收到的脈沖信號和方向信號經過相應的轉換后得到了角位移和轉動的方向，此時RD-023MS每接收到一個脈沖，步進電機就會進給一個步距角。所以，若需要對位置進行控制時，只需要知道需要運行的位移，然后通過轉換成為脈沖個數，在三軸上可以轉換為水平位移，從而實現步進電機的具體位置的控制。對于電機的速度控制主要是通過改變脈沖的占空比。電機的運行正反轉是通過改變脈沖的方向而實現的。

需要注意的是，從理論中分析，RD-023MS驅動器每接收到一個脈沖信號步進電機就會運行一個步距角，但是在實際工程應用中有時會出現脈沖信號變化過于迅速，因為步進電機的轉動慣量較大導致無法適應脈沖的快速變化，從而出現丟步或者堵轉發熱情況，所以在實際應用步進電機時，在啟動過程中需要有一個緩慢過渡階段，停止時也需要有一個減速過程。

由于西門子PLC的輸出信號是+24V，而伺服驅動的控制信號是+5v，因而需要在PLC和伺服驅動器之間串聯一只2KQ的電阻，起分壓作用，使輸入信號接近+5V，且由于西門子PLC是PNP接法，故PLC和伺服驅動器之間必須采用共地連接，否則無法形成回路。

4 系統軟件設計

在對步進電機伺服控制的程序設計中采用的是PLC開發軟件STEP7-Micro/WINSmart，該軟件能夠提供靈活的編程方式以及較為豐富的編程指令，在實際編程中能夠讓復雜問題簡單化。

在實際控制時要求系統既能實現手動操作也可以采用自動操作。所謂的手動操作就是單步執行，該操作主要用于對各軸動作位置參數的修改以及維修時的手動工作，調試系統各單元模塊功能是否正常以及運行效果。自動操作也稱之為全速運行，該方式能夠循環連續執行。在程序設計時，需要完成一下功能：

（1）初始化：主要是設置步進電機各軸的具體位置、電磁閥的開關狀態 以及位置傳感器的初始狀態。

（2）啟停控制：在系統上電操作后，系統能夠較為穩定的啟動，然后設置“自鎖”和“互鎖”模式，從而使得在電機出現異常運行時能夠自動且快速的停止。

（3）原點歸零：該功能分為三種情況實現，其一是突然斷電，此時容易出現再啟動時發生碰撞，此時需回到零點;其二，三個方向的電機都不在原點;其三，有一個電機在原點。處理情況一和二主要依賴于X軸和Y軸的聯動讓三個電機全部歸零;情況三主需要考慮X軸和Y軸，只需要移動其中一個方向的電機即可通過限位開關和位置傳感器回到原點。

（4）位置控制：將三軸投影于二維平面，且此時只考慮X軸和Y軸的運動軌跡，如圖3所示。從點A到B存在兩種路徑，一是從A-B，需要兩軸同時運動，二是從A-C-B，只需要單軸運動，即X軸運動后Y軸再運動。經過分析第一種路徑更加高效。

（5）速度控制：本文采用開環控制，既簡單易行也能節省成本，步進電機在啟動時必須處于低速狀態下，然后才能慢慢加速。停止時也需要有個減速過程。只有啟停運行適合才能夠讓裝置精準的到達指定位置。在從起點移動到終點的過程中，電機的加速過程要盡可能短，然后進入勻速階段，此階段要盡可能長，如果移動的距離較短，可以沒有高速勻速階段。后半段為電機的減速階段。

5 結束

步進電機是在日常生活中應用較為廣泛，在工業自動化領域的應用較為關鍵。目前，對于步進電機的精確控制正備受關注。本文以S7-200 Smart CPU作為控制核心，以三軸定位為控制方法，分析研究步進電機的控制。從實際工程中可知，三軸定位對步進電機的速度、精度以及可靠性都有較好的控制效果。在實際工程應用中具有一定的借鑒意義。

參考文獻

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