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1、引言
步进电机是一种将脉冲信号变换成角位移的数字电磁执行装置。步进电机的角位移与输入脉冲个数成正比，其转速与脉冲频率成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。由于步进电机的转角、转速和转向均可采用数字量（脉冲）控制，故步进电机广泛应用于数字伺服领域。
输入信号是由伺服系统中的传感器产生的。指令脉冲控制器决定于具体的伺服控制过程。可采用专用逻辑电路，目前多用单片微型计算机及接口电路组成。环形分配器是将输入的单一脉冲串按工作方式和转向分别依次向连接到步进电机各相绕组的功率放大器分配脉冲，以便形成旋转磁场。环形脉冲分配器多采用专用集成电路如CH250等构成。由此形成的各相的微弱信号经各相的功率放大器放大，产生足够的电磁转矩使电动机旋转。图中各部分的设计、选型、连接往往要求控制系统的设计者花费大量的精力和劳动。接口信号的匹配以及元器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大。
2、一种用PLC直接控制步进电机的方法
本文提出一种用可编程序控制器（PLC）直接控制步进电机的方法，如图2所示。这条技术路线的优点是：大大减少系统设计的工作量，不存在各部分接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。整个控制系统由PLC和步进电机组成。作为一种工业控制计算机PLC的功能越来越强。不仅仅可用于开关逻辑控制，还可用于闭环过程控制，并可与其它计算机组成多级控制系统。有了PLC的强大功能的支持，各种不同控制系统的不同指令脉冲控制器的任务均可用PLC的不同控制程序来完成。对于环形脉冲分配器和功率放大器的功能则对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC好是具有实时刷新技术的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使环形脉冲分配能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。应该指出的是采用继电器或可控硅做输出端口的PLC，软件环形脉冲分配能达到高速要求，但由于输出端口器件难以高速导通和关断直流电源，不能向步进电机各相绕组提供驱动脉冲电流，故不能用于步进电机的PLC直接控制。对于满足一、二两个要求的PLC，如美国IPM公司的IP1612DC-220可编程序控制器，可以对步进电机进行直接控制。
笔者已成功地将这种方法用于ZXJ1000-C型预应力复合制袋自动生产线的切袋误差自动补偿系统中。系统将传感器测得的袋长误差信号由PLC的输入端口送入，如图3所示。根据误差与补偿的算法，由PLC的程序自动算出步进电机应补偿的转向与转角步数，并由环形分配程序通过输出端口Y9、Y10、Y11进行环形脉冲分配，从而控制接到步进电机三相绕组的48V直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。步进电机的转动再经机械差速器叠加到主传动链中，使袋长误差得以补偿。由于步进电机是电感性负载，直流电阻很小，故接限流电阻以免脉冲电流过大损坏PLC端口，即Y9、Y10、Y11所对应的大功率晶体管。当Y9、Y10、Y11所对应的大功率晶体管按：Y9-Y9Y10-Y10-Y10Y11-Y11－Y11Y9-Y9……依次导通、断开时，步进电机正转。按：Y9-Y9Y11-Y11-Y11Y10-Y10-Y10Y9-Y9……依次导通、断开时，步进电机反转。即步进电机按三相六拍工作。每当步进电机走一步，环形脉冲分配程序的步数减一，当步数减为零时，停止环形脉冲分配，等待下一次测量误差的输入。
大型轴承内、外套上的分度、打孔是轴承中的关键工序，它的工艺水平和质量的高低直接影响轴承的质量、寿命和制造成本。目前轴承行业大型轴承内、外套的分度方式普遍采用人工分度方式，其分度精度低、累积误差大、工作效率低、工人劳动强度大，对轴承性能的提高造成很大的影响。我们所研制的大型数控分度头，采用plc可编程控制器，控制步进电机驱动蜗轮蜗杆对执行工件进行自动分度，结构简单、制造费用低，较好地解决了生产中的实际问题。
总体设计方案
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。其重要特点是只有周期性的误差而无累积误差。步进电机的运行要有步进电机驱动器这一电子装置进行驱动，这种装置就是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：
控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。控制步进脉冲信号的频率，可以对电机**调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机**定位。
在我们所设计的数控分度头中，就是利用这一线性关系，用plc进行电气控制、编写分度算法程序，控制脉冲信号的频率和脉冲数，步进电机驱动蜗轮蜗杆对执行工件进行**分度，并可实现调整、手动分度、自动分度等多种电气控制。
电气控制方案为plc＋步进电机及可细分驱动器+数显尺。plc选用dvp20eh00t，ac220v供电20点200hz晶体管输出类型；根据分度精度要求考虑，选用可细分驱动器及步进电机，考虑分度时对工件的扭矩m=fr=fnr，计算出大扭矩为27nm。按矩频特性选取步进电机，选130byg350a型三相混合式步进电机及配套细分驱动器ms-3h130m。
该数控分度头在径向安装数显尺来控制径向分度尺寸；由plc控制步进电机轴向分度。操作人员启动电源，输入分度数后，调整/分度开关置于分度位置即可实现手动或自动分度。在自动分度中可实现分度机构的松开、上升、分度、下降、卡紧再松开的顺序控制。
分度算法
设总孔数为d2，总脉冲数d0，分度脉冲可计算为：d0/d2=d4+d5（余数）。若d5=0时，步进电机每转动一次，电机转角控制脉冲均为d4。若d5≠0时，将d5与孔数的一半（d2/2=d8）进行比较，若小于孔数的一半，步进电机先按d4个脉冲分度，步进电机每转过一个分度角，余数d5累积一次，当累积数大于d8时，步进电机则按d4+1个脉冲分度一次，此时累积数减去d4+1脉冲的余数即d2-d5，再按d4个脉冲分度，依次类推直至分度完毕；若余数大于孔数的一半，步进电机先按d4+1个脉冲分度，余数按d2-d5累积，当累积数大于d8时，步进电机则按d4个脉冲分度一次，此时累积数减去d4脉冲的余数d5，再按d4+1个脉冲分度，依次类推直
步进电机以其价格合理、、控制方便等优点已在机床等机电一体化设备中得到了广泛应用。步进电机必须靠控制器、驱动电源提供的脉冲等信号完成升频、降频、快进、变速、停止、反向等工作，控制电路、驱动电源的水平决定着步进电机运行性能与稳定性。而如何使控制更简单、方便、经济则是步进电机应用方面的另一个重要课题。
目前，很大一批机电一体化设备、机床设备和自动化生产设备都采用了PLC控制，其中一部分功能需要采用步进电机伺服控制驱动方案。例如：需要实现多速、多行程的进给控制或辅助控制(磨削进给、砂轮自动修正等)的场合。
PLC本身不具有高速脉冲输出，为此要在PLC的基础上增加与步进电机控制配套的附加智能控制模块。该模块加上带细分的驱动电源，整个控制部分的成本就比较高，限制了步进电机驱动器的推广使用。
为了克服上述问题，山社电机供应了一种新型控制驱动器产品，它充分利用单片机的各种资源及运行速度高等特点，用软件完成各种硬件功能和其它功能，将步进电机控制模块与驱动电源合二为一。其硬件电路得到简化，成本大为降低，体积小巧，安装和使用方便。广泛适用于二相、不大于3A的混合式步进电机(80系列及以下各系列电机)。
控制驱动器以目前流行的自带4KFLASHROM的ATM89C51为核心，包括输入、D/A转换、功率放大等模块。
该控制驱动器的大特点在于软件化。通过软件完成以下一些主要功能：输入扫描、升降频、软件脉冲环分和整步/细分切换。
单片机接收来自四个外部输入口的电平信号：一位用于控制方向：其余三位用于控制速度，它们的不同组合可以选择7种常用的运行频率和停止复位状态(如附表所示)。自动完成升降频、整步/细分切换等工作，输出环分后的脉冲
SIMATIC 控制器于不同的软硬件体系：
模块化控制器
模块化控制器针对控制任务进行了优化设计，具有鲁棒性，可长期使用。您还可以随时通过插入 I/O模块、功能模块和通讯模块对其进行灵活扩展。根据应用需求，可以选择适用于不同性能要求、扩展能力和通讯接口的产品。模块化控制器也可用作容错系统或故障安方系统。
如客户不知道型号，确定用哪个系列的PLC，如如客户没有确定用哪个系列，就问客户大概用多少点（如200点以内推荐200CN，200点以上推荐S7-300）。确定哪个系列后再确定型号，如是S7-200CN系列，要确定客户是订购CPU还是IO模块，如是CPU，确定是多少点数的CPU（看样本），再确定为继电器输出（CPU可接220V交流电）还是晶体管输出(CPU只能接24V直流电)，如是IO模块，也是确定多少点数，也分为继电器输出和晶体管输出，问清客户CPU是什么类型，IO模块也选什么类型
一、合理的结构型式
PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。
整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大,且维修方便,一般于较复杂的控制系统。
二、安装方式的选择
PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。
集中式不需要设置驱动远程I/O硬件,系统反应快、成本低；远程I/O式适用于大型系统,系统的装置分布范围很广,远程I/O可以分散安装在现场装置附近,连线短,但需要增设驱动器和远程I/O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制,又要相互联系的场合,可以选用小型PLC,但必须要附加通讯模块。
三、相应的功能要求
一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满足。
对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的系统,可选用能带A/D和D/A转换单元,具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。对于控制较复杂,要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能,可视控制规模大小及复杂程度,选用中档或高挡PLC。中、高挡PLC价格较贵,一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。
四、响应速度要求
PLC是为工业自动化设计的通用控制器,不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC,或者某些功能或信号有特殊的速度要求时,则应该慎重考虑PLC的响应速度,可选用具有高速I/O处理功能的PLC,或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。
五、系统可靠性的要求
对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统,应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。
六、机型尽量统一
一个企业,应尽量做到PLC的机型统一。主要考虑到以下三方面问题：
1)机型统一,其模块可互为备用,便于备品备件的采购和管理。
2)机型统一,其功能和使用方法类似,有利于技术力量的培训和技术水平的提高。
3)机型统一,其外部设备通用,资源可共享,易于联网通信,配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统
概述 - 在工业自动化系统中，西门子PLC是控制系统中*的模块，它的正常稳定运行非常重要，能保证整套控制系统稳定可靠的运转。为了保证西门子PLC的正常运行，工程师需要定期对西门子PLC进行维护，本文下面针对西门子PLC的维护方法做一个介绍，为用户在维护过程中进行参考
一、 保养规程、设备定期测试、调整规定
（1）每半年或季度检查PLC柜中接线端子的连接情况，若发现松动的地方及时重新坚固连接
（2） 对柜中给主机供电的电源每月重新测量工作电压
二、 设备定期清扫的规定
（1）每六个月或季度对PLC进行清扫，切断给PLC供电的电源把电源机架、CPU主板及输入/输出板依次拆下，进行吹扫、清扫后再依次原位安装好，将全部连接恢复后送电并启动PLC主机。认真清扫PLC箱内卫生
（2） 每三个月更换电源机架下方过滤网
三、 检修前准备、检修规程
（1） 检修前准备好工具
（2）为保障元件的功能不出故障及模板不损坏，必须用保护装置及认真作防静电准备工作
（3） 检修前与调度和操作工联系好，需挂检修牌处挂好检修牌
四、 设备拆装顺序及方法
（1） 停机检修，必须两个人以上监护操作
（2） 把CPU前面板上的方式选择开关从“运行”转到“停”位置
（3） 关闭PLC供电的总电源，关闭其它给模坂供电的电源
（4）把与电源架相连的电源线记清线号及连接位置后拆下，拆下电源机架与机柜相连的螺丝，电源机架就可拆下
（5） CPU主板及I/0板可在旋转模板下方的螺丝后拆下
（6） 安装时以顺序进行
五、 检修工艺及技术要求
（1） 测量电压时，要用数字电压表或精度为1%的*表测量
（2） 电源机架，CPU主板都只能在主电源切断时取下
（3）在RAM模块从CPU取下或插入CPU之前，要断开PC的电源，这样才能保证数据不混乱
（4）在取下RAM模块之前，检查一下模块电池是否正常工作，如果电池故障灯亮时取下模块PAM内容将丢失
（5）输入/输出板取下前也应先关掉总电源，但如果生产需要时I/0板也可在可编程控制器运行时取下，但CPU板上的QVZ（超时）灯亮
（6） 拨插模板时，要格外小心，轻拿轻放，并运离产生静电的物品
（7） 更换元件不得带电操作
（8） 检修后模板安装一定要安插到位
S7-400
中端到性能范围内功能强大的 PLC
可满足要求极为苛刻的任务的解决方案
全面的模块和各种性能等级 CPU 可针对具体自动化任务进行调整
可实现分布式结构，适用十分灵活
连接方便
通信和联网功能
操作方便，设计简单，不含风扇
任务增加时可顺利扩展
多重计算：
多个 CPU 在一个 S7-400 *控制器中运行。
多重计算功能可对 S7-400 的总体性能进行分配。例如，可将复杂的技术任务（如开环控制、计算或通信）进行拆分并分配给不同的CPU。可以为每个 CPU 分配自己的 I/O。
模块化：
通过功能强大的 S7-400 背板总线和可直接连接到 CPU的通信接口，可实现许多大量通信线路的高性能操作。例如，这样可以拥有一条用于 HMI和编程任务的通信线路、一条用于高性能等距运动控制组件的通信线路和一条“正常”I/O 现场总线。还可以实现额外需要的与MES/ERP 系统或 Internet 的连接。
工程组态和诊断：
结合使用 SIMATIC 工程组态工具，可极为高效地对 S7-400进行组态和编程，尤其对于采用高性能工程组件的广泛自动化任务。为此，可以使用语言（如SCL）以及用于顺序控制、状态图和工艺图的图形化组态工具。
S7-400H
具有冗余设计的高可用性自动化系统。
用于具有很高故障安全要求的应用：
重新启动成本很高、停产代价高昂、几乎不需要监视且维护选项较少的过程。
冗余设计的集**能
提高 I/O 的可用性：切换式 I/O 配置
也可使用具有标准可用性的 I/O：单侧配置
热后备：发生故障时，自动切换到备用设备。
S7-400F/FH
故障安全型自动化系统，适用于具有很高安全要求的工厂
符合相关标准的安全要求（IEC 61508 的SIL 3、DIN V 19250 的 AK6 以及EN 954-1 的Cat.4）
如果需要，也可通过冗余设计来实现容错
不对安全相关 I/O 进行额外接线
通过采用 PROFIsafe 行规的 PROFIBUS DP实现安全通信
基于带有故障安全模块的 S7-400H 和分布式 ET 200I/O
适用于非安全相关应用的标准模块也可以在自动化系统中使用
隔离模块用于在一个 ET 200M的安全模式下组合使用故障安全模块和标准模块。