西门子模块6ES7222-1HF22-0XA8参数介绍
PLC是广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。为了配合步进电机的控制，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，图1是松下FP0-C16T晶体管输出型PLC的输出电路结构。
图1 PLC输出电路图
FP0-C16T型PLC有两个脉冲输出端Y0和Y1端，随着控制方式的不同，有三种脉冲输出形式。
·这两个脉冲输出端可以用来作为两个不带加减速的单相脉冲输出端，主要使用PLS和SPD1指令进行控制，颠率范围为0Hz_10KHz，可以连续输出，也可以脉冲中形式输出，可以单独输出。
·可以作为两相可变占空比的连续脉冲输出端，主要使用PWM指令控制，占空比设置范围为0%_。频率设置范围0.1Hz_999.9Hz。
·可以作为带梯形加减速的两相脉冲输出，主要使用PULS和SPD1指令控制，频率变化范围0Hz_10KHz，加减速率10Hz/10ms_10KHz/10ms，可以连续输出，也可以脉冲串形式输出，这里又分为两种控制方式，一种是脉冲+方向控制(Y0、Y1输出脉冲，Y2、Y3输出方向)，一种是正反向脉冲输出(Y0输出CW脉冲，Y1输出CCW脉冲)。如果使用Y0、Y2分别进行脉冲、方向控制，控制系统如图2所示。如果使用Y0作为脉冲输出，可以通过如图3所示的方法实现两相脉冲输出。
图2 脉冲、方向输出图
图3 双脉冲输出图
1 引言
某进口设备大面积的严重损坏。经过修理，更换了一大批电子元件，才勉强恢复原有的技术指标。但其工作已不是很可靠。由于该设备已停产，并且没有相关的代替设备.为配合生产需要，我们投入了对该设备的研制。原设备完全由晶体管电路构成，考虑到研制周期及可靠性等因素。我们决定采用PLC(Fx2N-32T)和触摸屏(MT506S)控制技术重新进行设计。
2 功能概述
该设备实质上就是一台专用的测控步进电机装置的设备。步进电机装置由步进电机及其相关电路组成。该设备功能包括:距离(工作步数)设定、启动、位置显示及清零，(自动、手动)连续或单次运行，(自动、手动)回原点，步进电机欠电流检测报警，原点到位显示等。
3 装置原理介绍
3.1 系统工作原理
系统工作原理如图1所示。图中触摸屏作为人机界面,用来显示并进行操作;PLC作为控制器,接收触摸屏的设定数据并进行逻辑处理,再控制步进电机。步进电机装置是受控对象，不能进行修改。它包括多种电源形式:步进电机工作在－24V三相双三拍直流矩形波的供电方式，还包括＋12V、－12V、+5V等电压和极性不同的信号。为了使多种信号的检测和驱动、步进电机装置相匹配，增加了信号的转换电路。
图1 系统工作原理框图
3.2 转换电路原理
信号转换电路的部分电路，如图2，3所示。
图2中,当5V或0V信号到达电阻R1后，通过光电耦合器使PLC输入1信号接通，此时电机回原点运行的过程中开始计数,记录运行步数。当+12V信号到达“±12V信号”后,点亮发光管D6，通过光电耦合器U1-3使PLC输入3接通，指示到达原点，电机停止运行;当-12V信号到达“±12V信号”后,通过光电耦合器U1-2使PLC输入2接通，超出设定极限。当-12V信号到达“-12V信号2”通过光电耦合器U1-3使PLC输入接通，指示到达原点，电机停止运行。
图2 信号转换电路
图3 步进电机驱动电路
3.3 电流检测原理
在步进电机驱动器中，内置了电流检测电路。电机发生断电或欠电流运行时，发出报警信号，使系统停止运行。检测原理是利用三相双三拍步进电机的工作特性，在任意时刻均有两相得电。只要检测任意时刻流过公共地线的电流大于相应额定电流的2/3即可认为工作正常，如小于相应额定电流的2/3，则认为欠电流运行。电路原理和时序图，如图3，4所示。
图3中，R是电流检测电阻，C用于消除竞争。在图4中IN表示三相双三拍电机流过公共点电流检测电阻的额定工作电流;In表示检测电流的门限，In=2/3IN;I表示电机的实际工作电流。ALM表示欠电流报警。系统运行后，当I≥In时，ALM报警，直到故障排除，系统复位后报警解除。图4中的细实线表示ALM未报警时的时序图。
图4 电流波形图
3.4 触摸屏的软件设计
(1) 首页:打开电源开关后，提示输入登录密码。正确输入密码后，自动进入首页。设备进入准备状态。
(2) 输入窗口:输入窗口主要用于设定并进行操作。包括键盘和主要操作控件，操作者可以直接对设备进行操作。
(3)配方数据窗口:对于经常用到的操作数据，可以按照提供的格式存放到配方卡记忆体里面,当需要时把它调出来，而不需要临时输入数据，可以大大地提高操作效率。
(4) 控制窗口:控制窗口主要用于对设备的基本功能的操作和显示。包括一个隐藏的小键盘窗口，可以在需要设定数据时弹出。
(5) 元件检查窗口:用于对PLC内部关键元件的监测，以便出错时查找故障。
(6) 梯形图检查窗口:用于对PLC梯形图的实时监控(由于MT506S不具备直接显示PLC内部梯形图的功能，故采用了单独制作显示PLC各元件的方法组合成关键部分梯形图)。
3.5 PLC的软件设计
PLC程序流程图如图5所示。
系统初始化后,完成了距离设定,选择运行方式后.再看系统是否有故障或是否到达原点。当完全准备妥后，分别执行自动或手动操作。在按设定距离执行自动往返运行的过程中，当中间执行断开操作后，系统保持运行方向，运行到设定距离，保持显示，停止运行;当执行复位操作后，系统运行显示归零(计数清零)，停止运行。在执行手动运行中，当到达设定距离后，系统保持显示，并停止运行;当运行中执行断开操作，方向不变，到达设定距离后，系统保持显示并停止运行;当执行复位操作，则运行显示归零(计数清零)，停止运行。
图5 PLC程序流程框图
4 结束语
控制器采用触摸屏和PLC来实现,缩短了开发周期，提高了运行的可靠性，尤其适合此类要求工程周期短，可靠性高，批量小的设备开发。软件的灵活性还有利于设备的改造和升级
本文介绍了一种新型步进电机控制驱动器。该驱动器充分利用了单片机软件控制灵活和PLC的ΔC门控制方便的主要特点，将传统的PLC步进电机控制模块与驱动电源合二为一，是一种新型的运动控制产品。
传统上，在用PLC控制步进电机时，通常在PLC中附加一块专用的步进电机控制智能模块，再与驱动电源相连接实现控制功能。在市场上，一片PLC的价格在2000元左右，而一块控制智能模块也值2000 元，再加上驱动电源在1500 到2500元左右，在一些小型控制中显得成本过高。本文介绍的一种控制驱动器产品，采用单片机内置式控制软件，接收PLC 的OC门信息，将步进电机控制模块与驱动电源合二为一，省去了步进电机控制智能模块，使成本大为降低。该驱动器适用于各种二相、小于3A的步进电机。
一、系统硬件
本系统采用软件环分驱动，大量工作由软件完成。硬件电路十分简单。如图1所示。
图1 控制驱动器线路简图
图2所示，同PLC 配合闭环控制步进电机，是该驱动器的一种典型应用。
图2 系统硬件
二、系统工作原理
众所周知，普通的PLC 可编程控制器，输入为OC门或继电器，很少有高速脉冲输出口，但一般有脉冲计数输入接口。我们利用这一特征点，通过以下配置可方便的完成机械运动的过程或位置控制。
在机械运动机构上安装过程控制使用的长光栅，并在运动机构一端设定限位开关为机械原点(可用光电、霍尔元件)，远离限位开关为步进电机运行的正方向。当步进电机通电后，向机械原点运行，当碰到限位开关时， PLC内部的计数器自动清零。如我们要进行机械运动的过程控制，通过光栅与步进电机带动的机械部件相连，确定步进电机与光栅的脉冲当量值之后，即可在PLC可编程控制器上编程实现高速高效的过程控制了。例如：步进电机的脉冲当量为01001mm，与之配合的光栅反馈脉冲也选配输出每个脉冲为01001mm，这样步进电机每走一步，光栅反馈一次信号到PLC内，计数器则加(或减)一。
由于该步进电机控制驱动器有7种速度可选，在不同的运动情况下选不同的速度，当运行到确定的位置后，停止步进电机即可。控制驱动器内还自带升降频控制、整步/细分切换等功能，PLC的控制使用十分方便。
三、系统软件
该系统的核心是单片机软件部分。
软件由以下几个主要模块组成。如图3所示。
图3 控制软件模块
初始化模块：清理程序中所需的标志位，判断是否需要启动电机并复位电机。
输入模块：CPU接收来自INT1到INT4的电平信号。其中INT1到INT3的各种不同组合用以选择7种常用频率来驱动电机，参见表1。INT4决定运动方向(1表示正转，0表示反转) 。
表1 编码信息与频率关系
升降频模块：此模块包括升降频数据表和查询数据表并给计数器T0赋值两个子模块。它保证在两种频率之间切换时平稳圆滑过渡且不失步。程序在升降频过程中，涉及到“优化升降频曲线”如图4所示，这条曲线的方程由电机参数决定。详细说明查阅其他资料。在处理这条曲线时，由时间t 每递增△t 所对应的频率f构成一张表，并对应生成一页MCS - 51 汇编语言数据表(计时器T0 的初值)，以查询数据表的方式来拟合这条曲线，实现优化升降频过程。
图4 升降频曲线
整步/细分切换模块：程序确定将七种常用频率以细分形式驱动电机，以满足电机处以不同工作状态时的不同需要；并将高频率设置成以整步驱动电机，使电机能高速空走。本模块负责完成从整步到细分、从细分到整步的切换。
输出模块：此模块包括脉冲环分和环分脉冲输出(T0 中断完成)两个子模块。本系统按二相二十拍编写程序。改变此模块可以广泛适用于二相各拍步进电机。
四、
同传统驱动器相比，该控制驱动器以软件代替硬件步进电机控制器和硬件脉冲环分电路，结构简单，成本节约。采用闭环控制，根据位置传感器的不同种类和精度，可广泛适用于坐标测量仪、比长仪等各种不同精度的精密仪器和机床设备。