基于PLC的步進電機控制系統設計

王勛

摘 要：本設計以西門子公司的S7-200可編程邏輯器為中央處理模塊，以兩相步進電機為控制對象，介紹了西門子S7-200PLC的控制原理和系統總體設計方法，并從軟件設計方面詳細地講解了如何用PLC的移位指令和高速脈沖輸出指令實現對步進電機的控制。

關鍵詞：PLC;兩相步進電機;步進電機驅動模塊

中圖分類號：TP23? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2021）01-0063-05

0 引言

在生產制造流水線中，經常需要使用定位裝置或機械手臂等加工設備來實現生產元件的組裝，尤其是對于精度要求較高的組裝器件，更需要根據控制要求，選取高精度的電機進行精確控制來減小誤差。本設計采用西門子S7-200系列的PLC來控制步進電機[1，2]，西門子S7-200PLC具有邏輯性強、編程控制簡單的特點[3，4]，而步進電機可以通過驅動脈沖來控制電機的角度和速度，進而達到了減小誤差和精確控制的目的。

1 系統總體設計

基于PLC控制的步進電機電路圖如圖1所示。控制電路主要由三個部分構成，第一部分是電路的核心處理單元，由西門子S7-200系列PLC構成，本設計就是通過設置PLC高速脈沖發生器的參數來產生頻率不同的高速脈沖從而實現電機控制;第二部分是由步進電機驅動板構成，步進電機驅動板主要用來給步進電機提供相應的時序電流和驅動電壓;第三部分是由步進電機構成的執行機構，有了足夠電壓和電流的步進電機經過PLC傳輸來的不同頻率、不同脈沖數的控制信號來達到對自身運行速度及角度的調節，實現了步進電機的驅動。

2 系統硬件設計

2.1 PLC概述

以前，工業控制主要都是人工手動控制，成本高還不穩定。近年來，越來越多可靠性高，實用性強的智能控制器投入到工業生產中，可以有效減低成本，還可以使工業生產穩定化。PLC就是其中優秀可靠的產品之一。

PLC是一種數字運算智能設備[5]，主要由輸入模塊、中央處理模塊、存儲器、通信接口模塊、輸出模塊、拓展接口模塊、電源等硬件部分組成。PLC的核心是中央處理單元，它可以在內部執行各種運算，計時以及計數等操作的指令，并將運算后的指令通過相應的輸出接口實現對外部受控單元的控制。

2.2 PLC工作過程

PLC的工作過程是描述PLC從上電初始狀態到完整的運行完整個程序并產生相應輸出的過程，主要分為以下五個階段。

（1）內部處理階段，PLC檢查中央處理器并且復位監視定時器，之后完成其他內部工作。

（2）通信服務階段，PLC響應編程器輸入的命令、更新編程器，并且可能與一些智能模塊進行通信。

（3）輸入處理階段，所有輸入端子的狀態被PLC順序讀取，并將讀取的信息存入映像寄存器中。此時，輸入映像寄存器刷新。

（4）程序處理階段，按照先上后下，先左后右的順序，對梯形圖中的程序進行掃描，然后進行邏輯運算，運算結果存入相關的映像寄存器中。如果遇到程序跳轉指令，就會根據條件判斷并且跳轉到指定的地址。

（5）輸出刷新階段，將所有輸出映像寄存器中的狀態轉存到輸出鎖存器中，然后輸出端輸出驅動信號。

本設計以西門子S7-200PLC為核心處理器件，設計了一個兩相步進電機的手動調速、自動變速、角位移控制和正反轉控制的驅動系統。在系統輸入信號部分，由輸入按鍵I0.0控制步進電機慢速運行，由輸入按鍵I0.1控制步進電機快速運行，由輸入按鍵I0.2控制步進電機自動運行，由輸入按鍵I0.3控制步進電機運行方向;在系統輸出信號部分，由Q0.0輸出信號控制驅動板的脈沖信號控制，由Q0.1輸出信號控制驅動板的正反轉信號控制，由Q0.3輸出信號控制驅動板的使能端。

2.3 步進電機驅動板部分

TB6560步進電機驅動板工作電壓直流10V-35V，其采用6N137高速光電耦合，保證高速不失真;可以有效地實現對負載電路的欠電壓保護，過載保護和長時間電流過大的保護，適合額定電流低于3A的步進電機。對于多相步進的電機的運行通常是需要多相具有時序控制的電流來驅動的，而PLC不具備專門的時序電流控制輸出結構，所以在PLC驅動步進電機時，需要加入步進電機驅動板。

2.4 步進電機部分

步進電機是依據脈沖信號的上升沿進行運作的電子元件。一般在理想情況下，電機的轉速、轉動的圈數只取決于告訴脈沖信號的周期和脈沖數，并且不受負載的影響。當步進驅動器接收到一個脈沖信號的上升沿時，它就會按照固定方向旋轉一個角度，稱為“步距角”。可以通過控制脈沖個數來控制步進的角度，也就是轉動的圈數，從而達到可以準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖的周期來控制步進電機的旋轉速度。

步進電機的應用不像普通的直流和交流電機那樣，一般情況下會比普通電機復雜一些，但是普通的直流、交流電機對于轉動的速度和轉過的角度不能實現精準的控制，而現在工業中對于精準控制的要求越來越高，所以這就使得步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。

本設計采用的是42型四線二相混合式步進電機，是一種精度和成本相對較高，結構相對復雜的執行元件，步進電機是依據脈沖信號的邊沿進行動作的電子元件[6]。在額定輸入和額定負載環境下，步進電機的每一步角位移都是固定不變的，每一步的觸發都是由脈沖信號來控制的，所以脈沖信號的頻率決定了步進電機的轉速，脈沖信號的個數決定了步進電機的旋轉圈數，從而就可以實現對步進電機及電機所帶動的負載的精確控制。

3 系統軟件設計

通常意義上來說，可編程邏輯控制器軟件程序大體上可以分為以下三類，即控制主程序部分，子程序部分和中斷服務子程序部分，本設計主要是由主程序和子程序兩部分組成，在自動調速控制功能程序設計部分，加入了中斷服務子程序，下面以手動調速控制和自動調速控制為例來說明本設計的程序部分。

3.1 主程序部分

主程序是指可編程邏輯控制器中程序開始執行的部分，可以作為獨立的加工程序使用，并且主程序可以調用子程序，而不被任何子程序所調用，是可編程邏輯控制器程序的中心部分。而本設計中的主程序主要是由邏輯控制部分和調用子程序部分組成。

以主程序圖2為例，I0.0表示邏輯常開觸點，當I0.0端輸入為低電平時，邏輯常開觸點保持斷開狀態，Q0.0輸出端無效;當I0.0端輸入為高電平時，邏輯常開觸點轉換為閉合狀態，Q0.0輸出端有效，使得Q0.0輸出端執行邏輯清零操作，同時SBR_0使能端EN輸入有效，主程序調用SBR_0子程序指令。子程序調用指令說明見表1。

3.2 子程序部分

在程序設計過程中，經常會有一些特定運算或功能需要反復使用，例如本例中的調速控制、正反轉控制等操作，可以把這些特定功能的程序編寫成子程序，從而達到減少主程序的掃描時間和，增加程序的易讀性和調試的便捷性的目的。

3.2.1 數據傳送指令

數據傳送指令可以將數據在各個存儲單元之間傳送，并且數據值在傳送工程中是保持不變的。傳送指令可用于機內數據的流轉和生成，也可用于存儲單元的清零、程序的初始化等場合。

不同數據類型的傳送指令只能傳送相對應類型的數據，一般傳送數據的類型包括字節傳送、字傳送、雙字傳送以及實數傳送。

（1）字節傳送指令MOVB

圖3中MOV_B為梯形圖表示方式，在圖中：EN為使能端，IN為傳送數據輸入端（IB、QB、VB、MB、SMB、SB、LB、AC、*VD、*LD、*AC、常數等操作數），OUT為數據輸出端（IB、QB、VB、MB、SMB、SB、LB、AC、*VD、*LD、*AC、等操作數），ENO為指令和傳送狀態位。

MOVB傳送指令的功能是當使能端EN=1時，將在IN端的一個8位字節數據傳送到MOVB指令的OUT端，OUT指定字節單元的地址位置。

（2）字傳送指令MOVW

圖4中MOV_W為梯形圖表示方式，在圖中：EN為使能控制輸入端，IN為傳送數據輸入端（IW、QW、VW、MW、SMW、SW、T、C、LW、AIW、AC、*VD、*LD、*AC、常數等操作數），OUT為數據輸出端（IW、QW、VW、MW、SMW、SW、T、C、LW、AQW、AC、*VD、*LD、*AC等操作數），ENO為指令和傳送狀態位。

（3）雙字傳送指令MOVDW

圖5中MOV_DW為梯形圖表示方式，在圖中：EN為使能控制輸入端，IN為傳送數據輸入端（ID、QD、VD、MD、SMD、SD、LD、HC、AC、&VB、&IB、&QB、&MB、&SB、&T、&C、&SMB、&AIW、&AQW、*VD、*LD、*AC、常數等操作數），OUT為數據輸出端（ID、QD、VD、MD、SMD、SD、LD、AC、*VD、*LD、*AC等操作數），ENO為指令和傳送狀態位。

3.2.2 高速脈沖輸出指令PLS

在S7-200PLC中，每種主機最多提供兩個高速脈沖發生器，其中一個發生器分配在數字輸出端Q0.0，另一個分配在Q0.1。

高速脈沖發生器發生高速脈沖時僅由Q0.0端和Q0.1端輸出。高速脈沖輸出有PTO和PWM兩種輸出形式：PTO是普通高速脈沖，PWM是寬度可調脈沖。本設計主要用到PTO。高速脈沖串輸出PTO用來輸出指定數量的方波，這樣可以更好地控制脈沖的周期和個數。同時，為了成功驅動步進電機，我們還需要一些能提供高速脈沖輸出的指令（如表2）。

不同的高速脈沖發生器都對應不同的特殊寄存器，且對應數量不一致。一般的寄存器包括控 制字節、狀態字節寄存器和參數值寄存器。各個寄存器的功能如表3：

為了標明響應操作的狀態，PLC在PTO方式下，在每個高速脈沖輸出時都設置了狀態位，而這些狀態位可以作為判斷條件來響應操作。狀態字節中各狀態位的功能如下：

Q0.0：當狀態字節在范圍SM66.0～SM66.3時，通常表示無意義。

當狀態字節為SM66.4時，PTO包絡增量計 算錯誤并且終止，此時0=無錯誤;1=終止。

當狀態字節為SM66.5時，PTO包絡由于用戶命令而終止，此時0=不終止;1=終止。

當狀態字節為SM66.6時，PTO管線溢出，此時0=無溢出;1=溢出。

當狀態字節為SM66.7時，PTO空閑，此時0=執行中;1=PTO空閑。

Q0.1：當狀態字節在范圍SM76.0～SM76.3時，通常表示無意義。

當狀態位字節SM76.4時，PTO包絡增量計 算錯誤并且終止，此時0=無錯誤;1=終止。

當狀態位字節SM76.5時，PTO包絡由于用戶命令而終止，此時0=不終止;1=終止。

當狀態位字節SM76.6時，PTO管線溢出，此時0=無溢出;1=溢出。

當狀態位字節SM76.7時，PTO空閑，此時0=執行中;1=PTO空閑。

每個高速脈沖輸出都對應一個控制字節，可通過對控制字節指定位的編程來實現所需要的高速脈沖輸出。

3.2.3 子程序部分

在主程序中，當I0.0端輸入為高電平時，SBR_0使能端EN輸入有效，主程序調用子程序SBR_0。子程序SBR_0程序圖如下。

以子程序圖6為例來說明PLC是如何使用傳送指令和高速脈沖輸出指令來實現步進電機的調速控制。圖中SM表示特殊標志位存儲器，該標志位寄存器能提供狀態信息和控制功能，并且可以在程序和CPU之間實現信息交換。邏輯常開觸點SM0.0表示上電保持功能，在系統上電時該值始終為1，程序立即觸發與之相連接的四個指令的使能端。

當SM0.0觸發第一個數據傳送指令MOV_B的使能端時，將16進制數據85傳送到特殊標志位存儲器SMB67中，其中SMB67表示為控制PTO/PWM脈沖輸出的標志位寄存器，可以通過傳送指令來實現所需要的脈沖輸出功能。本設計中給SMB67傳送數據16進制85則表示設置高速脈沖此時為Q0.0輸出單段PTO脈沖、時基為毫秒且允許更新脈沖數和周期值，不允許更新脈沖寬度。

當SM0.0觸發第二個數據傳送指令MOV_W的使能端時，將十進制數值2000傳送給SMW68存儲單元中，其中SM68表示為控制PTO/PWM脈沖周期的標志位寄存器，可以通過傳送指令來實現所需要的高速脈沖周期值的調節，范圍為2～65535ms或10～65535us，本程序為設置脈沖周期為2000us。

當SM0.0觸發第三個數據傳送指令MOV_DW的使能端時，將十進制數值0傳送給SMD72存儲單元中，其中SMD72表示為PTO脈沖數的標志位寄存器，可以通過傳送指令來實現所需要的脈沖數的設置，設置值應該為大于等于0的正整數，當賦值為0時，系統默認為1。

當SM0.0觸發第四個指令PLS的使能端時，其中PLS表示高速脈沖輸出指令，該指令可以實現在高速輸出（Q0.0和Q0.1）上控制脈沖串輸出（PTO）和脈寬調制（PWM）功能。當給該指令操作數賦值為0時，即默認高速脈沖輸出端口為Q0.0位。

3.3 中斷服務子程序部分

中斷服務子程序是PLC編程中的一種重要功能，用于實時控制、高速處理、通信和網絡等復雜和特殊的控制任務。所謂中斷就是在CPU執行程序時刻，系統出現了某些急需處理的特殊事件，這時CPU會暫時中斷正在執行的程序，轉而去處理相對更加緊急和更加重要的中斷程序，當中斷程序處理完畢以后，CPU會返回中斷之前的程序繼續執行。

中斷服務程序與子程序最大的不同是，中斷服務程序不能由用戶程序調用，而只能由特定的事件觸發執行。PLC最多有38個中斷源（9個預留），分為三大類：通信中斷、輸入/輸出（I/O）中斷和時基中斷，優先由高到低依次是：通信中斷、I/O中斷和時基中斷。每類中斷中不同的中斷事件又有不同的優先權。

3.3.1 中斷連接指令ATCH

上圖是PLC程序中的中斷連接指令功能圖，EN是中斷指令的使能端，當使能端EN所連接的前端輸入有效電平時，觸發程序體的中斷連接指令，此時中斷連接指令會時刻檢測中斷事件EVNT，如果此時中斷事件有效，系統會暫時停止當前執行的任務，轉而執行中斷程序INT中所描述的程序，當中斷程序執行完成后，系統會返回繼續執行中斷之前的程序。

中斷事件即指發出中斷請求的事件，PLC在系統中內置34個可作為中斷請求的中斷事件，每一個事件都由一個不同的事件觸發，每一個中斷事件都分配一個編號用來識別中斷請求，稱之為中斷號。

3.3.2 中斷允許指令ENI/中斷禁止指令DISI

上圖是PLC程序中中斷允許指令和中斷禁止指令的功能圖，該指令的功能是當ENI指令輸入端有有效輸入電平時，允許全局中斷連接指令執行相應的中斷程序;如功能指令DISI輸入端有有效輸入電平時，禁止全局中斷連接指令執行相應的中斷程序。

3.3.3 中斷返回指令

上圖是PLC程序中中斷返回指令的功能圖，該指令的功能是當RETI指令輸入端有有效輸入電平時，退出中斷程序，返回繼續執行中斷前的主程序。

3.3.4 中斷服務子程序部分

上圖是PLC程序中的中斷連接指令使用部分，該中斷出現在程序體的自動演示部分，中斷事件19表示的是在PTO的0號端口脈沖串輸出完成后觸發中斷操作。此時指令ENI的輸入一直保持有效，即允許全局中斷連接指令的執行，當步進電機完成自動調速演示后，PTO脈沖串輸出端口會終止脈沖串的輸出，讓步進電機由運動狀態恢復到停止狀態，此時中斷連接指令中的中斷事件19被觸發，中斷連接指令會調用中斷服務子程序INT0，系統會暫時停止當前程序執行，轉而執行相應的中斷服務子程序。

上圖是PLC程序中的中斷服務子程序部分，當中斷事件19觸發中斷后，中斷連接指令調用中斷服務子程序INT0，執行相應中斷程序。SM0.0表示特殊存儲器，當PLC上電后，該位始終為1，當中斷程序被調用后，SM0.0始終得電，Q0.2位的狀態被置1，產生相應輸出表示自動演示程序執行完成，允許進行其他操作，同時RETI也立即得電，系統退出中斷程序，返回繼續執行中斷前的主程序。

4 結論

本設計使用西門子公司S7系列的PLC作為步進電機的控制器，搭配步進電機驅動板可以方便地實現步進電機的正反轉控制、調速控制和角位移控制，而且可以根據生活生產的需求進行實時的程序修改，達到實時控制的目的。PLC本身也具有可靠性高和抗干擾性強的特點，極大地提高了系統的可靠性。可廣泛地在工業機械手、制造業和礦井提升系統中得到應用。

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