基于西门子S7_200PLC控制步进电机的设计及应用.pdf

1、工 程 技 术 Project technique基 于 西 门 子 S7 - 200PL C 控 制 步 进 电 机 的 设 计 及 应 用徐 智 杜 逸 鸣 熊 田 忠 孙 承 志(三 江 学 院 电 气 系 210012)【 摘 要 】 PLC 控 制 步 进 电 机 在 许 多 工 业 控 制 中 应 用 广 泛 ,本 文 介 绍 了PL C( Programmable Logic Controller) 通 过 发 送 脉 冲 和 方 向 信 号 给 步 进电 机 的 驱 动 器 ,由 驱 动 器 来 控 制 步 进 电 机 工 作 的 原 理 。 本 设 计 采 用PL C 和 大

2、 功 率 晶 体 管 实 现 步 进 电 机 的 驱 动 和 控 制 ,结 构 简 单 ,可 靠 性高 ,成 本 低 ,实 用 性 强 ,具 有 较 高 的 通 用 性 和 应 用 推 广 价 值 。【 关 键 词 】 步 进 电 机 ; PLC ;驱 动 器1 引 言PLC 是 广 泛 应 用 于 工 业 自 动 化 领 域 的 控 制 器 , PL C 及 其 有 关的 设 备 ,都 按 易 于 与 工 业 控 制 系 统 连 成 一 个 整 体 、 易 于 扩 充 功 能 的原 则 而 设 计 。 现 在 ,PLC 功 能 得 到 了 很 大 的 扩 充 和 完 善 ,比 如 为 了配

3、合 步 进 电 机 的 控 制 ,许 多 PLC 都 内 置 了 脉 冲 输 出 功 能 ,并 设 置 了相 应 的 控 制 指 令 ,可 以 很 好 地 对 步 进 电 机 进 行 控 制 ,实 现 和 其 它 设备 的 通 信 等 。 本 文 用 SIEMENS 公 司 CPU226 晶 体 管 输 出 型 PLC控 制 步 进 电 机 。2 步 进 电 机 的 控 制 方 法步 进 电 机 控 制 方 法 框 图 如 图 1 所 示 。 控 制 方 案 是 通 过 上 位 机设 定 参 数 ,利 用 S7 - 200PLC 的 高 速 脉 冲 输 出 功 能 输 出 脉 冲 信 号 ,送

4、 给 大 功 率 管 组 成 的 驱 动 电 路 ,经 过 驱 动 器 去 控 制 步 进 电 机 实 现位 置 控 制 。 其 中 本 文 中 的 PLC 为 西 门 子 公 司 的 CPU226DC/ DC/DC、 驱 动 器 为 某 公 司 的 SH - 20403 两 相 混 合 式 步 进 电 机 细 分 驱 动器 、 步 进 电 机 为 42B YG250B 型 ,步 距 角 1. 8 。本 文 的 控 制 过 程 为 某 运 料 小 车 在 A B 两 地 之 间 运 行 (如 图 2所 示 ) ,装 料 及 卸 料 ,要 求 定 位 准 确 ,运 行 平 稳 。3 PLC 对

5、步 进 电 机 的 速 度 控 制 及 定 位步 进 电 机 在 启 动 和 停 止 时 有 一 个 加 速 及 减 速 过 程 ,且 加 速 度越 小 则 冲 击 越 小 ,动 作 越 平 稳 。 所 以 ,步 进 电 机 工 作 时 一 般 要 经 历这 样 个 变 化 过 程 :加 速 恒 速 (高 速 ) 减 速 恒 速 (低 速 ) 停止 。 步 进 电 机 转 速 与 脉 冲 频 率 成 正 比 ,所 以 输 入 步 进 电 机 的 脉 冲频 率 也 要 经 过 一 个 类 似 变 化 过 程 。 如 果 步 进 电 机 启 动 加 速 时 速 度太 慢 ,由 于 驱 动 力 不

6、够 导 致 小 车 运 动 不 起 来 ;相 反 ,若 启 动 速 度 过大 ,又 会 造 成 机 器 的 磨 损 程 度 增 加 同 时 噪 音 也 很 大 ,因 此 恰 倒 好 处的 设 置 启 动 曲 线 段 的 初 始 周 期 及 脉 冲 数 尤 为 重 要 ,才 能 使 整 个 小车 的 稳 定 性 得 到 提 高 。PLC 对 步 进 电 机 的 速 度 控 制 有 3 个 方 面 :一 是 对 步 进 电 机 运行 脉 冲 频 率 的 控 制 ;二 是 对 步 进 电 机 启 动 、 停 止 时 加 减 速 的 控 制 ;三 是 对 运 转 脉 冲 数 目 的 控 制 。西 门

7、子 PLC 的 组 态 软 件 STEP 7 Micro/ WIN 提 供 了 位 置控 制 向 导 可 以 帮 助 我 们 在 几 分 钟 内 全 部 完 成 PTO、 PWM 或 位 控模 块 的 组 态 。 该 向 导 可 以 生 成 位 控 指 令 ,可 以 用 这 些 指 令 在 应 用程 序 中 对 速 度 和 位 置 进 行 动 态 控 制 。 S7 200PLC 提 供 了 脉 冲 串输 出 功 能 PTO ( Pulse Train Output) ,可 以 输 出 两 路 最 高 20 KHz 的脉 冲 序 列 ,脉 冲 周 期 和 脉 冲 个 数 由 用 户 编 程 设

8、定 。 不 仅 如 此 ,S7 200PL C 指 令 集 中 还 提 供 了 两 种 脉 冲 输 入 方 式 供 应 程 度 选 择 :单 段管 线 的 PTO 输 出 和 多 段 线 的 PTO 输 出 。 单 段 管 线 PTO 仅 支 持一 段 自 定 义 周 期 和 脉 冲 个 数 的 脉 冲 串 输 出 ;而 多 段 线 P TO 相 当 于多 个 单 段 PTO 无 缝 连 接 在 一 起 输 出 ,并 且 允 许 单 段 内 的 脉 冲 周 期恒 增 量 (或 恒 减 量 )变 化 。 PTO 功 能 极 大 的 方 便 了 步 进 电 机 控 制 领域 的 应 用 ,特 别

9、是 在 非 常 简 单 流 畅 ,系 统 抗 干 扰 性 能 好 ,运 行 稳 定 。1)操 作 模 式使 用 STEP 7 Micro/ WIN 位 置 控 制 向 导 ,为 线 性 脉 冲 串 输 出(PTO)操 作 组 态 一 个 内 置 输 出 。 选 择 Q0. 0 或 Q0. 1 ,组 态 作 为 PTO 的输 出 。 在 位 置 控 制 向 导 对 话 框 中 选 择 “ 配 置 S7 - 200 PLC 内 置 PTO/PWM操 作 ” ,从 下 拉 对 话 框 中 选 择 “ 线 性 脉 冲 串 输 出 (PTO)” 。2)参 数 设 定电 机 启 动 / 停 止 速 度 (

10、 SS_SPEED) :输 入 该 数 值 满 足 应 用 的 电机 在 低 速 时 驱 动 负 载 的 能 力 ,如 果 SS_SPEED 的 数 值 过 低 ,电 机 和负 载 在 运 动 的 开 始 和 结 束 时 可 能 会 摇 摆 或 颤 动 。 如 果 SS_SPEED的 数 值 过 高 ,电 机 会 在 启 动 时 丢 失 脉 冲 ,并 且 负 载 在 试 图 停 止 时 会使 电 机 超 速 。 在 此 设 为 100。在 该 系 统 中 ,小 车 主 要 是 在 电 机 匀 速 转 动 时 工 作 的 ,所 以 加 速 与减 速 时 间 越 小 越 有 利 于 小 车 的 起

11、 停 工 作 ,但 是 时 间 太 小 会 影 响 步 进 电机 的 使 用 寿 命 ,在 此 加 速 时 间 设 为 1000ms ,减 速 时 间 设 为 200ms。在 该 系 统 中 ,我 们 希 望 的 第 一 步 (步 0) 目 标 速 度 为 1100 (介 于MAX_SPEED 和 MIN_SPEED 之 间 ) 。 假 设 为 步 进 电 机 一 步 转 过 的角 度 , 为 步 进 电 机 总 共 需 要 转 的 角 度 , 为 步 进 电 机 需 要 的 总 脉 冲 数 , 为 车 轮 总 共 转 过 的 角 度 ,n 为 减 速 箱 的 传 动 比 ,于 是 计 算 包

12、 络 总 位 移(即 步 进 电 机 需 要 的 总 脉 冲 数 )的 公 式 为 : = / = n / (1)由 于 小 车 从 A 点 到 B 点 (如 图 2 所 示 ) ,车 轮 应 转 30 圈 ,即 10800 。在 该 系 统 中 , = 1. 8 ,n = 1 ,因 此 由 公 式 (1)可 以 推 出 = 6000。创 建 包 络 中 的 一 个 步 是 工 件 运 动 的 一 个 固 定 距 离 ,包 括 加 速 和减 速 时 间 内 的 距 离 。 在 小 车 控 制 系 统 中 有 的 需 要 中 间 变 速 度 ,使 小车 行 走 更 平 滑 、 噪 音 小 ,所

13、以 需 要 建 立 多 个 包 络 和 多 个 步 ,即 将 总 的脉 冲 数 分 为 多 个 步 。 最 后 绘 制 的 电 机 运 动 包 络 如 图 3 所 示 。4 程 序 实 现脉 冲 输 出 向 导 将 根 据 所 选 的 配 置 生 成 项 目 组 件 ,主 要 有 子 程序 PTOx_CTRL 、 P TOx_RUN、 PTOx_MAN、 PTOx_LDPOS、 PTOx311工 程 技 术 Project technique图 3 步 进 电 机 运 动 包 络 图_ADV。 通 过 创 建 五 个 唯 一 的 指 令 子 程 序 ,位 控 向 导 使 得 控 制 内 置PT

14、O 更 加 容 易 。 编 程 调 用 PTO0_CTRL 子 程 序 (控 制 )使 能 和 初 始化 用 于 步 进 电 机 或 伺 服 电 机 的 PTO 输 出 ;调 用 PPTO0_RUN 子 程序 (运 行 包 络 )命 令 PLC 在 一 个 指 定 的 包 络 中 执 行 运 动 操 作 ,此 包络 存 储 在 组 态 / 包 络 表 中 。 如 图 4 所 示 。5 结 束 语步 进 电 机 的 控 制 以 开 环 控 制 居 多 ,如 果 用 旋 转 编 码 器 做 速 度 或位 置 反 馈 ,结 合 PLC的 高 速 脉 冲 计 数 功 能 就 可 以 实 现 闭 环 控

15、 制 。由 于 现 今 的 PLC 指 令 速 度 越 来 越 快 ,用 微 小 型 PLC 就 能 构 成各 种 的 步 进 电 机 控 制 系 统 ,具 有 控 制 简 单 、 运 行 稳 定 、 开 发 周 期 短等 优 点 ,基 于 模 块 化 思 想 的 软 硬 件 设 计 ,使 得 系 统 更 易 于 调 试 和 维护 ,是 一 种 切 实 可 行 的 步 进 电 机 控 制 方 案 。【 参 考 文 献 】1胡 学 林 .可 编 程 控 制 器 教 程 (基 础 篇 ) M.电 子 工 业 出 版 社 ,2006 年 . 2 西 门 子 公 司 . SIMA TIC STEP7

16、- Micro 编 程 参 考 手 册 . 3 宣 财 鑫 . PLC. 脉 冲 控 制 步 进 电 机 技 术 J . 机 车 车 辆 工 艺 ,2002 年 .4吴 玉 香 . S7 - 200PLC集 成 脉 冲 输 出 功 能 的 应 用 .机 电 工 程 J . 2000(5) . 5 李 仁 定 . 电 机 的 微 机 控 制 M . 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,1999. 60 - 70.6胡 泓 .机 电 一 体 化 原 理 及 应 用 M.北 京 :国 防 工 业 出 版 社 ,1999.199 - 224.(上 接 第 103 页 )融 资 方 面 的 帮 助

17、还 是 来 自 金 融 机 构 。 而 来 自 政 府 基 金 、 担 保 机 构等 途 径 的 加 起 来 不 够 50 % ,更 值 得 提 一 点 的 是 通 过 新 兴 的 中 小 企业 联 合 会 融 资 的 中 小 企 业 只 有 6. 67 %。(2)由 于 中 小 企 业 对 资 本 和 债 务 需 求 的 规 模 较 小 ,使 得 审 查 监管 的 平 均 成 本 和 边 际 成 本 较 高 ;同 时 银 行 作 为 资 金 的 提 供 者 并 不能 亲 自 参 加 企 业 的 日 常 经 营 管 理 ,它 与 资 金 的 使 用 者 (中 小 企 业 )之 间 的 信 息

18、不 对 称 就 带 来 了 矛 盾 和 问 题 ,金 融 机 构 为 了 避 免 不 利选 择 及 信 息 不 对 称 ,往 往 不 愿 意 向 中 小 企 业 提 供 贷 款 。(3)缺 乏 与 中 小 企 业 相 匹 配 的 中 小 金 融 机 构 。 在 我 国 目 前 的银 行 组 织 体 系 中 ,还 缺 乏 专 门 为 中 小 企 业 融 资 服 务 的 政 策 性 银 行 ,虽 然 我 国 已 有 遍 及 城 乡 的 中 小 商 业 银 行 如 农 村 信 用 社 、 股 份 制 商业 银 行 、 城 市 商 业 银 行 等 ,但 由 于 他 们 没 有 得 到 政 策 性 融

19、资 权 ,自身 问 题 还 没 有 解 决 ,无 法 满 足 中 小 企 业 贷 款 需 要 。(4)中 小 企 业 通 过 发 行 股 票 和 债 券 融 资 渠 道 也 不 畅 通 。 对 于中 小 企 业 通 过 资 本 市 场 直 接 融 资 很 难 。 目 前 我 国 中 小 企 业 要 通 过资 本 市 场 融 资 只 能 到 国 内 主 板 市 场 融 资 或 海 外 上 市 融 资 ,但 是 主板 市 场 上 市 对 于 中 小 民 企 而 言 几 乎 是 不 可 能 的 ;海 外 上 市 也 谈 何容 易 ,不 但 要 满 足 海 外 资 本 市 场 较 高 的 上 市 要

20、求 ,而 且 受 到 国 内 一些 因 素 的 阻 挠 。 另 外 ,国 内 的 二 板 市 场 虽 已 创 立 ,但 其 融 资 量 相 当有 限 ,对 大 部 分 中 小 企 业 来 说 仍 是 可 望 不 可 及 。4、 中 小 企 业 之 间 互 相 担 保 ,申 请 贷 款 。一 旦 一 家 公 司 因 经 营 不 善 而 蒙 受 损 失 ,则 会 引 发 一 系 列 的 连锁 反 应 。 若 短 期 内 急 需 资 金 ,中 小 企 业 之 间 会 互 相 拆 借 ,或 通 过 内部 融 资 的 方 式 解 决 。二 、 解 决 河 北 省 中 小 企 业 的 对 策 和 措 施(

21、1)加 大 各 级 政 府 对 中 小 企 业 融 资 的 扶 持 力 度 和 宣 传 力 度 。政 府 对 中 小 企 业 融 资 的 扶 持 实 际 上 就 是 为 企 业 营 造 一 个 良 好 的 外部 环 境 ,从 某 种 意 义 上 说 ,也 是 解 决 中 小 企 业 融 资 难 问 题 的 根 本 。政 府 要 从 制 度 倾 斜 到 狠 抓 落 实 采 取 一 系 列 措 施 。(2)完 善 中 小 企 业 制 度 ,规 范 内 部 管 理 ,努 力 提 高 信 用 水 平 。中 小 企 业 应 不 断 加 强 自 身 建 设 ,发 挥 自 身 优 势 ,选 择 符 合 国

22、家 产 业政 策 、 有 市 场 前 景 、 技 术 含 量 高 的 产 品 作 为 核 心 产 品 ,确 定 企 业 发展 方 向 ,努 力 创 新 ,规 范 企 业 财 务 制 度 ,以 产 业 发 展 为 重 ,交 流 合作 ,开 展 良 性 竞 争 ,不 断 增 强 融 资 能 力 。(3)拓 宽 融 资 渠 道 ,健 全 信 用 担 保 体 系 。 改 革 以 银 行 为 主 体 的单 一 的 投 融 资 体 系 ,要 进 一 步 完 善 中 小 企 业 间 接 融 资 体 系 。 鼓 励和 支 持 各 级 金 融 机 构 成 立 专 门 以 中 小 企 业 为 主 服 务 对 象

23、的 融 资 部门 或 者 各 级 金 融 机 构 联 合 针 对 中 小 企 业 进 行 融 资 服 务 。 要 完 善 适应 中 小 企 业 特 征 的 直 接 融 资 市 场 体 系 ,加 快 资 本 市 场 的 建 设 ,逐 步扩 大 “ 二 板 市 场 ” 的 惠 及 面 。(4)强 化 监 督 体 系 ,落 实 风 险 防 范 措 施 。 要 建 立 健 全 风 险 补 偿 机制 和 银 行 风 险 联 动 机 制 ,制 定 规 范 以 明 确 协 作 银 行 与 担 保 机 构 的 风险 分 摊 比 例 ,强 化 商 业 银 行 考 察 评 估 中 小 企 业 贷 款 项 目 的 责 任 及 对不 良 贷 款 的 追 索 义 务 。 要 完 善 中 小 企 业 信 用 评 级 体 系 和 信 用 公 开 制度 为 贷 款 发 放 提 供 便 于 操 作 的 可 靠 依 据 ,防 止 中 小 企 业 进 行 互 相 担保 。 设 定 专 门 机 构 同 经 贸 委 联 合 工 商 、 公 安 、 银 行 等 部 门 联 合 ,定 期公 布 不 守 信 用 企 业 的 名 单 ,对 中 小 企 业 的 信 誉 进 行 监 督 。411