Abstract: This paper introduces a controlling method for STEP-MOTOR, and in this method Siemens S7-200 PLC is applied. Particularly, the paper illustrates the operating procedure of this method by a concrete example.
Keywords: PLC; STEP-MOTOR; Position-controlling Wizard; Pulse; Motion Profile
0 前言
PLC是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計算機技術(shù)、自動化技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動化裝置。由于它具有體積小、功能強、程序設(shè)計簡單，以及維護方便等優(yōu)點，特別是PLC適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境的能力和高可靠性，使其應(yīng)用越來越廣泛。但是由于我國的PLC技術(shù)教育落后，許多高校畢業(yè)生，甚至一些現(xiàn)場工程技術(shù)人員對PLC的知識也相當(dāng)缺乏[1]。
步進電機是工業(yè)自動化過程當(dāng)中經(jīng)常用到的一種控制傳動機構(gòu)，它是通過接受輸入脈沖，然后每個脈沖轉(zhuǎn)動一定的步距（角度）來完成對執(zhí)行機構(gòu)的控制傳動的。使用PLC可以通過特殊功能存儲器（SM）或者增加EM253位控模塊來控制步進電機，但是使用SM需要熟悉每一位的意義，而且編程煩瑣。如果為PLC增加功能擴展模塊，無疑會增加產(chǎn)品成本。鑒于這些原因并結(jié)合本人的實踐經(jīng)驗，本文利用STEP 7-Micro/WIN 位置控制向?qū)韺崿F(xiàn)應(yīng)用PLC控制步進電機的運動功能。
1 操作步驟[2]
使用STEP 7——Micro/WIN位置控制向?qū)В瑸榫�性脈沖串輸出（PTO）操作組態(tài)一個內(nèi)置輸出。啟動位置控制向?qū)В梢渣c擊瀏覽條中的向?qū)D標(biāo)，然后雙擊PTO/PWM圖標(biāo)，或者選擇菜單命令工具→位置控制向?qū)А?BR>（1）在位置控制向?qū)υ捒蛑羞x擇“配置S7-200 PLC內(nèi)置PTO/PWM操作”。
（2）選擇Q0.0或Q0.1，組態(tài)作為PTO的輸出。
（3）從下拉對話框中選擇“線性脈沖串輸出（PTO）”。
（4）若想監(jiān)視PTO產(chǎn)生的脈沖數(shù)目，點擊復(fù)選框選擇使用高速計數(shù)器。
（5）在對應(yīng)的編輯框中輸入最高電機速度（MAX_SPEED）和電機的啟動/停止速度（SS_SPEED）的數(shù)值。
（6）在對應(yīng)的編輯框中輸入加速和減速時間。
（7）在移動包絡(luò)定義界面，點擊新包絡(luò)按鈕允許定義包絡(luò)，并選擇所需的操作模式。
a）對于相對位置包絡(luò)：
輸入目標(biāo)速度和脈沖數(shù)。然后，可以點擊“繪制包絡(luò)”按鈕，查看移動的圖形描述。
若需要多個步，點擊“新步”按鈕并按要求輸入步信息。
b）對于單速連續(xù)轉(zhuǎn)動：
在編輯框中輸入目標(biāo)速度的數(shù)值。
若想終止單速連續(xù)轉(zhuǎn)動，點擊子程序編程復(fù)選框，并輸入停止事件后的移動脈沖數(shù)。
（8）根據(jù)移動的需要，可以定義多個包絡(luò)和多個步。
（9）選擇完成結(jié)束向?qū)А?/P>
2 應(yīng)用實例
本例通過PLC控制步進電機在車輪自動超聲探傷中的應(yīng)用，進一步說明利用STEP 7-Micro/WIN 位置控制向?qū)韺崿F(xiàn)利用PLC控制步進電機的具體操作過程。
車輪自動超聲探傷系統(tǒng)是利用車輪在探傷架上的轉(zhuǎn)動，通過超聲波來實現(xiàn)對車輪內(nèi)部缺陷的檢測，其中車輪的轉(zhuǎn)動是由步進電機通過減速箱來實現(xiàn)驅(qū)動的。整個系統(tǒng)機械部分的運動由下位機（PLC）來控制，如圖1。
為了保證探傷的準(zhǔn)確性，一般需要兩組探頭同時檢測分別對車輪的踏面以及內(nèi)側(cè)面。當(dāng)這兩組探頭分別接觸到車輪的踏面和內(nèi)側(cè)面后，PLC會收到這兩組探頭的行程開關(guān)發(fā)出的探頭到位信號，此時由下位機向上位機（工控機）上傳“準(zhǔn)備好”信號。在上位機收到“準(zhǔn)備好”信號后，可以向下位機發(fā)送“探傷開始”的信號了，下位機收到該信號后，立即向步進電機發(fā)送脈沖，車輪開始轉(zhuǎn)動，探傷工作開始了，如圖2所示，其中上位機與下位機是采用自由口方式進行通信的。
在這個過程中，利用位置控制向?qū)Σ竭M電機的配置非常重要，合理的配置能夠增加探傷系統(tǒng)的靈敏度，不合理的配置會增加探傷工作的困難，甚至有可能燒壞電機。
在該應(yīng)用中，配置向?qū)У那八膫�操作步驟中一般采用默認(rèn)設(shè)置即可。在操作步驟（5）中，MAX_SPEED的設(shè)置應(yīng)該在電機力矩的最大范圍內(nèi)，驅(qū)動負(fù)載所需的力矩由摩擦力、慣性以及加速/減速時間決定，在這里設(shè)為400。對SS_SPEED的設(shè)置不能太大，太大就會造成電機失步，但是如果太小就會在電機啟動時產(chǎn)生顫抖或者振動，在此設(shè)為100。具體應(yīng)用要根據(jù)不同的電機使用說明書來設(shè)置。最低電機速度（MIN_SPEED）系統(tǒng)默認(rèn)等于SS_SPEED。MAX_SPEED、SS_SPEED和MIN_SPEED的關(guān)系如圖3所示。
在步驟（6）中可以設(shè)置加速時間（ACCEL_TIME）和減速時間（DECEL_TIME），如圖4所示。在該系統(tǒng)中，探傷主要是在電機勻速轉(zhuǎn)動時工作的，所以加速與減速時間越小越有利于探傷工作，但是時間太小會影響步進電機的使用壽命，在此加速時間設(shè)為1000，減速時間設(shè)為500。
在步驟（7）中，由于步進電機本身存在加速與減速時間，所以我們選擇建立相對位置包絡(luò)。并且探傷系統(tǒng)不需要中間變速度，所以只需要輸入希望的步0信息。在該系統(tǒng)中，我們希望的目標(biāo)速度為150（介于MAX_SPEED和MIN_SPEED之間）。假設(shè)α為步進電機一步轉(zhuǎn)過的角度，θ為步進電機總共需要轉(zhuǎn)的角度，ψ為步進電機需要的總脈沖數(shù)，φ為車輪總共轉(zhuǎn)過的角度，n為減速箱的傳動比，于是計算包絡(luò)總位移（即步進電機需要的總脈沖數(shù)）的公式為
ψ=θ/α=nφ/α （1）
由于步進電機存在開始時加速和結(jié)束時減速兩個無法克服的過程，所以在這兩個過程中可能存在漏探或誤探，于是在探傷過程中規(guī)定，車輪至少應(yīng)轉(zhuǎn)1.25圈，即450°。在該系統(tǒng)中，n=60，α=0.72°（即每轉(zhuǎn)細(xì)分?jǐn)?shù)為500步）,因此由公式（1）可以推出ψ=37500。繪制的包絡(luò)如圖5所示。
然后選擇一個大小合適且未使用的V存儲區(qū)來保存配置和包絡(luò)信息，最后向?qū)鶕?jù)剛才的配置生成PTO0_CTRL、PTO0_MAN和PTO0_RUN三個項目組件，用戶可以在自己編寫的程序中調(diào)用這些組件。其中：PTO0_CTRL指令是用于在手動模式下初始化步進電機；PTO0_MAN指令是用于手動模式控制線性
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PTO，在手動模式中，可以使用不同的速度操作PTO，如圖6；PTO0_RUN指令用于命令線性PTO操作執(zhí)行在向?qū)渲弥兄付ǖ倪\動包絡(luò)，如圖7。
圖7 PTO0_RUN指令應(yīng)用
3 結(jié)論
通過上面的例子可以看出，本文介紹的利用STEP 7-Micro/WIN 位置控制向?qū)韺崿F(xiàn)PLC對步進電機的控制，操作簡單，而且不用增加功能擴展模塊，降低了產(chǎn)品成本，是非常值得在PLC應(yīng)用中嘗試的。
參考文獻
[1]劉洪濤 黃海.PLC應(yīng)用開發(fā)從基礎(chǔ)到實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.
[2]西門子（中國）有限公司.SIMATIC S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊[Z].2005.