基于西門子S7—200SMARTPLC的步進電機控制

范長青

摘 要：文章介紹利用西門子S7-200 SMART PLC輸出的高速脈沖輸出信號及方向信號來控制步進電機驅動器，從而驅動步進電機運轉，實現精確定位、正轉、反轉、急停、位置歸零等功能。這種控制方式簡單易行，成本比較低，精度較高。

關鍵詞：PLC；步進電機；位置控制；運動控制

PLC作為新型的電控裝置，由于具有可靠性高、通用性好、環境適應性好、抗干擾能力強、接線簡單、編程簡單易學和體積小等優點，已經廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、機械制造等各行各業。步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差，并且控制精度穩定、準確，步進電機已經廣泛應用于各類開環控制中[1]。本文利用西門子S7-200 SMART系列ST30的高速脈沖輸出實現步進電機位置控制功能，給出了位置控制系統設計方案，實驗表明能夠實現精確定位控制。

1 控制原理

步進電機是用電脈沖信號進行控制的，每輸入一個脈沖信號，輸出軸便轉動一定的角度或前進一步。步進電機輸出軸的角位移量與輸入脈沖成正比，控制輸入的脈沖數就能準確地控制輸出的角位移量，精準地定位。步進電機輸出軸的轉速與輸入的脈沖頻率成正比，控制輸入的脈沖頻率就能準確地控制步進電機的轉速。改變控制繞組的通電順序，步進電機就能反轉。因此，可以通過控制輸出脈沖數量、頻率和控制繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。

本系統是利用西門子S7-200 SMART自帶的脈沖發生器向步進電機發出脈沖信號和方向控制信號，并通過調節步進電機驅動器的撥碼開關實現脈沖頻率變化，以此來控制電機的速度變化。這種方法可以實現步進電機的正轉控制和反轉控制，可實現在運轉狀態下，正向或反向的切換；在停止狀態下，可正向或反向啟動電機；在運轉中實時改變旋轉速度大小，并且可以實現低速運轉[2-3]。步進電機控制系統框如圖1所示。

2 系統硬件設計

本控制系統選用西門子S7-200 SMART系列的ST30 PLC作為控制器，S7-200 SMART系列的ST 30 PLC有18個輸入點，12個輸出口，兩個PTO /PWM 輸出端口（Q0.0，Q0.1）。系統有3個輸入控制按鈕，分別控制系統正轉啟動、反轉啟動和停止。有2個信號輸出端，分別是步進電機運行速度控制信號和步進電機運行方向控制信號。步進電機選用42BYGH60，其步距角為1.8°，步進驅動器的型號為TB6600升級版，有6個DIP開關，S1-S3用于選擇7檔細分控制（1，2/A，2/B，4，8，16，32），通過S4-S6 3位撥碼開關選擇6檔電流控制（0.5 A，1 A，1.5 A，2.0 A，2.5 A，2.8 A，3.0 A，3.5 A），絲杠的螺距為4 mm。

2.1 PLC輸入輸出點地址分配

PLC供電使用AC220V單相工頻交流電源，輸入控制信號使用3個點觸按鈕，按鈕和開關公共端連接PLC輸出電源DC24V，停止按鈕接常閉觸點，該觸點斷開時系統不能工作[4]。輸入/輸出點及地址分配如表1所示。

2.2 PLC硬件接線

根據控制系統的功能要求以及輸入輸出地址的分配，設計出西門子系列PLC控制步進電機的硬件接線圖如圖2 所示。

3 軟件設計及功能

采用高速脈沖輸出指令來控制步進電機，利用西門子S7-200 SMART系列ST30的Q0.0輸出高速脈沖，Q0.2控制運動的方向。關于PLS（脈沖）指令，S7-200 SMART CPU使用SMB66-SMB85，SMB166-SMB169和SMB176-SMB179來監視與控制脈沖串輸出PT00，PT01和脈寬調制輸出PWM0，PWM1；SMB566-SMB579用來監視與控制脈沖串輸出PT02及脈寬調制輸出PWM2。絲杠螺距為4 mm，驅動器設置800個脈沖轉一圈，所以用包絡表來控制位移量和運行方向。高度脈沖程序如圖3所示。

4 HMI面板設計

本系統的上位機選用昆侖通態TPC7062K的觸摸屏，通過界面的按鈕操作可以實現步進電機的正轉啟動、反轉啟動、急停和位置回零等功能，并顯示步進電機的運轉速度、運行距離和通信測試的狀態。昆侖通態TPC7062K觸摸屏界面如圖4所示。

5 結語

步進電機的控制方法非常簡單，可以用指令控制，也可以用向導來控制。步進電機本身精度穩定、準確，配合驅動器的細分設置可達到更高的精度，因此，廣泛應用于各類開環控制中。本系統利用西門子S7-200 SMART系列ST30的高速脈沖輸出實現步進電機位置控制功能，給出了位置控制系統設計方案，具有結構簡單、可靠性高和成本低等優點，在一些工礦企業得到了廣泛的應用。

[參考文獻]

[1]楊友進，王卓君.基于S7-200SMART的步進電機控制研究[J].電工技術，2018（12）：23-24.

[2]廖常初.PLC編程及應用[M].4版.北京：機械工業出版社，2014.

[3]王雁博.基于PLC的步進電機控制系統設計[J].西安文理學院學報（自然科學版），2017（4）：40-41.

[4]章祥煒.觸摸屏應用技術從入門到精通[M].北京：化學工業出版社，2017.