6ES7317-6FF04-0AB0参数详细
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），其旋转以固定的角度运行。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量以达到准确定位的目的;也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度而达到调速的目的。步进电机作为一种控制用的特种电机，因其没有积累误差（精度为）而广泛应用于各种开环控制。
可编程序控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优点，是实现机电一体化的理想控制装置。通过对步进电机定位与SiemensPLC的深入研究，本文提出了利用PLC的高速脉冲输出实现步进电机位置控制功能的有关见解与方法，介绍了步进电机加减速控制原理以及用PLC实现步进电机快速**定位的方法，给出了位置控制系统方案及软件设计思路，在实验室内运行通过，对于工矿企业实现相关步进电机的**定位控制具有较高的应用与参考价值。
1 定位原理及方案
1.1 步进电机加减速控制原理
步进电机驱动执行机构从一个位置向另一个位置移动时，要经历升速、恒速和减速过程。当步进电机的运行频率低于其本身起动频率时，可以用运行频率直接起动并以此频率运行，需要停止时，可从运行频率直接降到零速。当步进电机运行频率fb>fa（有载起动时的起动频率）时，若直接用fb频率起动会造成步进电机失步甚至堵转。同样在fb频率下突然停止时，由于惯性作用，步进电机会发生过冲，影响定位精度。如果非常缓慢的升降速，步进电机不会产生失步和过冲现象，但影响了执行机构的工作效率。对步进电机加减速要保证在不失步和过冲前提下，用快的速度（或短的时间）移动到指定位置。
步进电机常用的升降频控制方法有2种：直线升降频（图1）和指数曲线升降频（图2）。指数曲线法具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大时平衡性差。直线法平稳性好，适用于速度变化较大的快速定位方式。以恒定的加速度升降，规律简练，用软件实现比较简单，本文即采用此方法。
1.2 定位方案
要保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角所移动的距离不能太大，步进电机的升降速要缓慢，以防止产生失步或过冲现象。但这两个因素合在一起带来了一个突出问题：定位时间太长，影响执行机构的工作效率。要获得高的定位速度，又要保证定位精度，可以把整个定位过程划分为两个阶段：粗定位阶段和精定位阶段。粗定位阶段，采用较大的脉冲当量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。精定位阶段，为了保证定位精度，换用较小的脉冲当量，如0.01mm/步。脉冲当量变小，但由于精定位行程很短（可定为全行程的五十分之一左右），并不会影响到定位速度。为了实现此目的，机械方面可通过采用不同变速机构实现。
工业机床控制在工业自动化控制中占有重要位置，定位钻孔是常用工步。设刀具或工作台欲从A点移至C点，已知AC=200mm，把AC划分为AB与BC两段，AB=196mm，BC=4mm，AB段为粗定位行程，采用0.1mm/步的脉冲当量依据直线升降频规律快速移动，BC段为精定位行程，采用0.01mm/步的脉冲当量，以B点的低频恒速运动完成**定位。在粗定位结束进入精定位的PLC自动实现变速机构的更换。
2 定位程序设计
2.1 PLC脉冲输出指令
目前较为**的PLC不仅具有满足顺序控制要求的基本逻辑指令，还提供了丰富的功能指令。SiemensS7-200系列PLC的PLUS指令在Q0.0和Q0.1输出PTO或PWM高速脉冲，大输出频率为20KHz。脉冲串（PTO）提供方波输出（50%占空比），用户控制周期和脉冲数。脉冲宽度可调制（PWM）酮能提供连续、变占空比输出，用户控制周期和脉冲宽度。本文采用PTO的多段管线工作方式实现粗定位，PTO的单段管线方式实现精定位，如图3。
图3 步进电机定位过程图
上述例子中，假定电机的起动和结束频率是2KHz，大脉冲频率是10KHz。在粗定位过程中，用200个脉冲完成升频加速，400个脉冲完成降频减速。使用PLC的PTO多段管线脉冲输出时，用下面的公式计算升降频过程中的脉冲增量值。
给定段的周期增量=（ECT—ICT）/Q
式中：ECT=该段结束周期时间
ICT=该段初始周期时间
利用这个公式，加速部分（第1段）周期增量为2，减速部分（第3段）周期增量为1。因第2段是恒速部分，故周期增量为0。如果PTO的包络表从VB500开始存放，则表1为上例的包络表值。
表1 粗定位的PTO多段管线包络表值
2.2 源程序
//主程序
LD SM0.1 //扫描为1
R Q0.0，1 //复位映像寄存器位
CALL 0 //调用子程序0，初始化粗定位相关参数
LD M0.0 //粗定位完成
R Q0.0，1
CALL 1 //调用子程序1，初始化精定位相关参数
//子程序0,粗定位
LD SM0.0
MOVB 16#A0，SMB67 //设定控制字：允许PTO操作，选择ms增量，选择多段操作
MOVW 500，SMW168 //指定包络表起始地址为V500
MOVB 3，VB500 //设定包络表段数是3
MOVW 500，VW501 //设定段初始周期为500ms
MOVW -2，VD503 //设定段周期增量为-2ms
MOVD 200，VD505 //设定段脉冲个数为200
MOVW 100，VW509 //设定第二段初始周期为100ms
MOVW 0，VD511 //设定第二段周期增量为0ms
MOVD 1360，VD513 //设定第二段脉冲个数为1360
MOVW 100，VW517 //设定第三段初始周期为100ms
MOVW 1，VD519 //设定第三段周期增量为1ms
MOVD 400，VD521 //设定第三段脉冲个数为400
ATCH 2，19 //定义中断程序2处理PTO完成中断
ENI //允许中断
PLS 0 //启动PTO操作
//子程序1，精定位
LD SM0.0 //扫描为1
MOVB 16#8D，SMB67 //允许PTO功能，选择ms增量，设定脉冲数和周期
MOVW 500，SMW68 //设定精定位周期为500ms
MOVD 400，SMD72 //设定脉冲个数为400
ATCH 3，19 //定义中断程序3处理PTO完成中断
ENI //允许中断
PLS 0 //启动PTO操作
//中断程序2
LD SM0.0 //一直为1
= M0.0 //启动精定位
//中断程序3
LD SM0.0 //一直为1
= M0.1 //实现其他功能
3 结束语
实践证明，本文提出的应用PLC控制步进电机实现快速**定位的方法切实可行。在数控机床、物料计量、印刷、送膜包装等用步进电机实现定位控制的领域有一定的实用价值和参考价值。
1 引言
随着纺机装备技术进步，步进与伺服电机运动控制系统的应用越来越广泛，其功能多样性和产品可靠性日臻完善，正在逐步取代原来的普通电机。随着可编程控制器技术的日益成熟，将二者完整地结合起来，完成对各种复杂运动的自动控制，实行机电一体化，正在成为一种趋势。步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比,其速度与单位时间内输入的脉冲数（即脉冲频率） 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。只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序,便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。步进电机具有较好的控制性能,其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成, 且可获得较高的控制精度,得到了广泛的应用。
2 步进电机脉冲分配器
在可编程控制器plc的应用中，步进电机是常见的被控制对象。步进电机是一种数字控制元件，直接接收脉冲信号，它旋转的角度和转速分别与输入的脉冲数和频率成正比，只要控制输入到其线圈绕组中的脉冲数和脉冲频率就可控制步进电机的转动角度和转速，输入的脉冲还需要经过脉冲分配器分配给步进电机的各个绕组。用plc控制步进电机，脉冲分配器的设计是一个很重要和非常灵活的问题，它可以用硬件组成，也可以用软件组成，本文以松下fp0-c16tplc为例，讨论几种实现步进电机脉冲分配器的方法。
图1 控制原理接线图
用硬件实现步进电机脉冲分配器控制原理接线图如图1所示。由于脉冲分配器是由硬件实现，fp0-c16t只需提供一串脉冲，而fp0系列的plc具有脉冲输出功能和高速计数器（hsc）功能，利用此功能进行控制步进电机非常方便。
图2 控制梯形图
fp0系列各型号的plc的输出端y0或y1都具有脉冲输出功能，其输出脉冲的大频率为10khz。具体输出脉冲频率可以用软件编程，y0或y1输出的脉冲经脉冲分配器把脉冲分配给步进电机的各相绕组，y0或y1接至pulse的输入接点；当达到顶定值时发生中断，使y0或y1的脉冲频率切换至下一参数。y2或y3是方向控制信号。vcc值为5v时，r短路；vcc值为12v时，r＝1kq（≥1/8w）；vcc值为24v时，r=2kq（≥1/8w）。图2是实现这一控制的梯形图。dt100～dt106是存放输出脉冲频率和个数的通用寄存器，梯形图中所给参数是输出脉冲初始频率为500hz，高频率为5000hz，脉冲个数为10000。
3 软件步进电机脉冲分配器设计
3.1 电原理设计
图3 硬件接线图
图3是用软件实现步进电机脉冲分配器plc与步进电机的硬件接线图。步进电机以常见的三相六拍通电方式工作。k0、k1、k2分别是正转、反转及停止控制开关，分别接在plc的输入继电器x0、xl和x2上;plc的输出继电器y0、y1和y2分别接步进电机的三相绕组a、b、c。软件实现脉冲分配的方法很多，这里讨论三种实现方案。
3.2 软件实现方案之一
图4 软件方案1梯形图
梯形图如图4所示。步进电机是以相六拍通电方式工作，即三相绕组的通电顺序是：正转：a－ab－b－bc－c－ca反转：a－ac－c－cb－b－ba该方案中，时钟可以用plc中的定时器设计一个时钟发生器，也可以使用plc中的内部0.01s、0.02s、0.1s、0.2s、1s、2s时钟，它们分别由plc中的特殊内部继电器r9018、r9019、r901a、r901b、r901c、r901d产生，为了方便、在此使用plc中的特殊内部继电器r901a0.1s脉冲继电器作为控制时钟。继电器r0和r1分别在正反转接通；16位移位寄存器（继电器）wr1产生正反转的六个节拍，用移位寄存器的各触点r10～r15与r0、r1进行组合,使输出继电器y0、y1、y2按上述正反转的顺序通电。
3.3 软件实现方案之二
图5 软件方案2梯形图
梯形图如图5所示。该方案中，开关x0、x1作为正反转启动控制，k2作为停止。时钟仍然使用plc中的特殊内部继电器901a0.1s脉冲继电器作为控制时钟。使用一个16位移位寄存器（继电器）wr1，产生正反转所需的六个节拍，用位移位寄存器（继电器）的触点r10-15和正反转控制继电器r0-r1的触点进行组合，并利用plc中的数据传输指令．把所需的控制字（见附表）直接输出到plc的输出端，使输出继电器y0、y1、y2按上述正反转的顺序通电。
3.4 软件实现方之三
图6 软件方案3梯形图
梯形图如图6所示。控制开关的作用和时钟仍然如方案二所述。在该方案中，利用r9013运行初期0n脉冲继电器，开机时把输出控制字送到plc的通用数据寄存器dt0～dt7中,根据正反转控制要求把plc中的检索寄存器ix（置初值（正转置0或反转置5）作为输出控制字的初始指针；利用[f0mv ,ixdt0,wy0]指令，把所需的控制字直接输出到plc的输出端，之后修改ix的值，使输出继电器y0、y1、y2按上述正反转的顺序通电。r900b是比较相等标志。
4 应用案例
图7 国产梳棉机电气系统框图
基于硬件实现方案设计了一套步进电机控制系统，成功用于国产梳棉机的电控系统的改造上。其电控系统原理框图如图7所示。该电气控制系统通过plc控制步进电机解决了国产梳棉机继电器控制系统复杂，可靠性不高，控制精度不够，故障点多，布线繁杂等难点，可以按梳棉机的工艺要求方便地控制梳棉机，还可以根据所纺纤维种类和对产品质量要求确定梳棉机的电气参数，包括锡林和道夫的启动时间以及它们的转速等。该系统具有性能可靠，控制精度高、操作简单、运行平稳、无噪音等优点，提高了梳棉机的机电一体化程度，完全能满足用户的使用要求。
5 结束语
利用可编程控制器可方便地实现对电机的速度和位置进行控制，能够可靠地实现步进电机的操作，完成各种复杂的动作。基于plc控制步进电机的控制系统方案在国产梳理机上的应用，提高了梳棉机的机电一体化水平，更为重要的是为提高棉纺全流程运行的稳定性、可靠性奠定了基础，保证了全流程连续、同步、平稳运行，使输出毛条长片段、起长片段、甚至短片段的均匀度都能稳定在一定范围内，从而保证了成纱质量的稳定性。基于plc控制步进电机的控制系统在国产梳理机上的成功证明，该机所采用的控制系统，完全可以应用于其它国产传统纺织设备的改造当中，对国内纺织厂进行国产设备改造升级具有很好的参考价值。