基于S7-200PLC与步进电机的位置控制系统设计
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精密制造与自动化 ２０１６年第４期
基于￥７－２００ ＰＬＣ与步进电机的位置控制系统设计
谷纪广 唐明媚 （１．新地能源工程技术有限公司 河北廊坊０６５００１； ２．北华航天工业学院河北廊坊０６５０００）
摘要设计了一套基于Ｓ７，２００ ＰＬＣ的步进电机位置控制系统，由软件和硬件两部分组成。使用ＰＬＣ高速脉冲 输出功能，控制步进电机运动。旋转编码器作为系统的检测元件，其输出脉冲信号反馈到ＰＬＣ，利用ＰＬＣ的高 速计数功能，实现位置的半闭环控制。 关键词ＰＬＣ步进电机步进电机驱动器脉冲编码器
步进电机是将电脉冲转化为角位移的执行机构， 专门用于位置和速度精确控制，其结构简单，运行 可靠，具有反应速度快、运转噪音低、控制性能好、 整机成本低等优点，广泛应用于机械、电子、纺织 等行业。 步进电机驱动器，用于放大控制信号，驱动步 进电机，带动负载，步进电机系统的性能很大程度 上取决于步进电机驱动器。 旋转编码器是一种光电式旋转测量装置，它将 被测的角位移直接转换成数字信号（高速脉冲信号）。 此信号输入给ＰＬＣ，利用ＰＬＣ的高速计数器进行计 数，以获得测量结果。 典型的步进电机控制系统一般由三部分组成， 步进电机控制器、步进电机驱动器以及步进电机。 但当步进电机启动频率过高或负载过大时，易出现 丢步现象，停止时转速过高易出现过冲现象，所以 为保证其控制精度，往往加入反馈环节组成高性能 的闭环、半闭环控制系统。本文采用旋转编码器作 为位置反馈器件，使其控制性能更为可靠。 １ 步进电机控制系统总体结构 本系统采用半闭环结构，总体结构如图ｌ所示。 程序在ＰＣ机上编写并调试，然后再下载到ＰＬＣ。
４２ 图１系统总体结构框图 ２步进电机控制系统硬件设计 ２．１硬件选型 系统选用西门子公司的Ｓ７．２００ ＰＬＣ，ＣＰＵ２２４， 直流供电，直流输入，ＰＮＰ晶体管输出，是一款紧 凑高性能的ＣＰＵ，带有２４个输入输出点。带有６ 个３０ ｋＨｚ的高速计数器，２个２０ ｋＨｚ高速脉冲输 出，满足系统的要求。 步进电机为两相四线混合式步进电机，型号为 ５７ＢＹＧ。红绿、黄蓝分别为电机的Ａ、Ｂ两相。 驱动器为ＴＨＢ７１２８—３型，此驱动器为低功耗 ３Ａ的步进电机驱动器，工作电压为１０～３２Ｖ（本系 统接入２４Ｖ），适合５７电机，性能优越。电流设定 方法为拨码开关分档可调，板子背面印有参数设定 表格，方便调节。有细分功能，细分数也用驱动板 上的拨码开关选择设定。 旋转编码器为电压２４Ｖ的光电编码器，有黑、 红、黄、白四根接线，两根电源线，两根信号线， 输出脉冲相位差为９０。。 ２．２硬件接线 Ｓ７．２００ ＰＬＣ输入端采用共阴极接法，与之相适 应，旋转编码器采用ＰＮＰ型，如图２所示。
出
ＳＳＡ
图２ ＰＮＰ型编码器输出电路图 谷纪广等基于ｓ７—２００ＰＬＣ与步进电机的位置控制系统设计
系统的硬件接线如图３所示。驱动器的输入信 号电压为５Ｖ，有两种接法，共阳极或共阴极，与系 统选用的ＰＬＣ输出端子内部连接方式匹配，选用共 阴极接法。分别将ＰＵＬ．、ＤＩＲ．、ＥＮＡ一连接到５Ｖ 电源的地端，５Ｖ电源的阳极接ＰＬＣ的公共端１Ｌ＋， ＋５Ｖ的脉冲信号通过ＰＵＬ＋给定，方向信号通过 ＤＩＲ＋给定，脱机信号由ＥＮＡ＋给定，三个信号端分 别与ＰＬＣ的Ｑ０．０、Ｑ０．１、Ｑ０．２相接。 驱动器的Ａ＋、Ａ一端子与步进电机的Ａ相引线 红绿线相接，Ｂ＋、Ｂ一端子与步进电机的Ｂ相引线黄 蓝线相接，以驱动电机运动。
图３系统硬件接线图
３步进电机控制系统软件设计 系统端口分配如表１所示，ＰＬＣ梯形图如图４ 所示。网络１、２、３、５为高速脉冲输出程序，网络 ４为高速计数器程序。 网络ｌ选定了Ｑ０．０为高速脉冲输出口，周期为 １０００个单位，单位由ＳＭ６７．３决定，由网络３确定 为ＵＳ。网络２对ＱＯ．１复位，由此确定了步进电机 的旋转方向。网络３设定了高速脉冲的其他参数以 及脉冲输出个数，并启动了高速脉冲输出。网络４ 分别设置了高速计数器的控制字节，选定了ＨＳＣ０、 设定了ＨＳＣ０的初始值、工作模式以及启动高速计 数器。网络５为高速脉冲输出停止程序。 ＳＭＢ６７＝１６撑８５，按如下说明设定： ＳＭＢ６７．７：０为禁用ＰＴＯ／ＰＷＭ，１为启用； ＳＭＢ６７．６：０为ＰＴＯ模式，１为ＰＷＭ；ＳＭＢ６７．５： ＰＴＯ段数选择，０为单段，１为多段；ＳＭＢ６７．４： ＰＷＭ更新方法，０为异步更新，１为同步更新； ＳＭＢ６７．３：时间基准，０为ＵＳ，１为ｍｓ；ＳＭＢ６７．２： ＰＴＯ更新脉冲计数值，０为不更新，１为更新； ＳＭＢ６７．１：ＰＷＭ更新脉宽，０为不更新，１为更新； ＳＭＢ６７．０：更新周期，０为不更新，１为更新。 ＳＭＢ３７＝ｌ６≠｝Ｆ８，按如下说明设定：ＳＭＢ３７．７： ０为禁用，１为启用ＨＳＣ；ＳＭＢ３７．６：０为不更新， １为更新初始值；ＳＭＢ３７．５：０为不更新，１为更新 预设值；ＳＭＢ３７．４：０为不更新，１为更新计数方向； ＳＭＢ３７．３：０为减计数，１为加计数；ＳＭＢ３７．２：０ 为４Ｘ，１为１Ｘ计数速率；ＳＭＢ３７．１：０为启动信 号高电平有效，１为低电平有效；ＳＭＢ３７．０：０为复 位信号高电平有效，１为低电平有效。 按下启动按钮ＳＢ１，Ｑ０．０发出高速脉冲，步进 电机旋转，编码器的反馈信号进入ＰＬＣ输入端，当 ＰＬＣ检测到１０００个脉冲时（系统中选用的编码器 每转输出５００个脉冲），高速脉冲停止输出，此时步 进电机带动丝杠旋转了两转，其上的滑块移动了两 个导程。实际工程中，可以通过滑块移动的距离来 计算编码器发出的脉冲个数，将其写入程序即可。 运行过程中按下停止按钮ＳＢ２，步进电机立即停止 转动。
表１端口分配及功能表 序号 ＰＬＣ端子 连接外设 功能说明 ｌ １０．０ 编码器Ａ相 判断运行情况 ２ １０．１ 编码器Ｂ相 ３ １０．２ ＳＢ１ 启动按钮 ４ １０Ｉ３ ＳＢ２ 停止按钮 ５ ＱＯ．ｏ 驱动器ＰＵＬ＋ 脉冲信号 ６ ＱＯ．１ 驱动器ＤＩＲ＋ 方向信号 ７ Ｑ０．２ 驱动器ＥＮＡ＋ 脱机信号
２ 网络标题 口０．０
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４３ 精密制造与自动化 ２０１６年第４期
图４ ＰＬＣ梯形图 本系统实物接线如图５所示，线路简单，结构 紧凑，编码器的２４Ｖ供电电压使用了ＰＬＣ内部自 带电源，也可使用外部电源；软件上，使用了 Ｓ７—２００ＰＬＣ的高级指令，编程简单。系统运行可靠， 达到了很好的控制效果。
图５实物接线图 ４结语 本系统可扩展性能良好，无需改变硬件，只需 修改程序，即可实现其他功能，如对编码器Ａ、Ｂ 两相进行分频、提供更高精度、采用测频方法测量 电动机的转速等。
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