基于西门子S7-300的步进电机定位控制系统设计

杨慧远，焦志刚

(沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159)

基于西门子S7-300的步进电机定位控制系统设计

杨慧远，焦志刚

(沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159)

针对某型号引信自动装配机在雷管自动上料过程中需要精确定位的问题，提出使用西门子S7-300 PLC和FM353步进定位模块的设计方案，重点介绍了步进电机的选型过程、FM353定位原理和使用方法。实践证明该系统性价比高，功能完善，完全满足现场控制要求。

PLC；定位控制系统；步进电机

0 引言

步进电机作为执行原件，是一种把电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，能够实现快速启动和停止以及位移和角度的精确控制。步进电机具有跟踪性能好、动态响应快、无累积误差等优点，被广泛应用于自动生产控制中。

FM353模块是通过步进电机实现精确定位的智能模块，可实现任何点对点定位和对响应、速度和精度有较高控制要求的复杂运动模式，能够应用于所有低负荷及没有较大负载波动的位置控制场合。

PLC作为工业控制计算机，具有运算速度快、可靠性高、编程方法灵活、扩展功能和通信联网能力强、不易受外界干扰等优点，是目前广泛应用的控制装置。采用PLC作为控制器，并结合其专用模块FM353组成的定位控制系统具有定位精度高、可靠性和经济性好的特点。

1 步进电机定位控制系统构成及装配任务

某引信自动装配机是一条能够实现其机构合件的雷管、套筒、击针、支筒和密封件等5个零件的自动装配及检测的生产线，能够实现雷管等易燃易爆火工品的自动装配。该装配系统的关键技术是通过两台步进电机分别控制定位平台和机械手臂，将雷管准确放入雷管座，所以作为核心驱动部件的步进电机的精确定位成为装配成功的决定因素。

2 控制系统硬件设计

2.1 装配机控制方案

为保证定位精度和定位的可靠性，并考虑火工品的安全生产技术要求，选择SIEMENS系列PLC、FM353定位模块、步进驱动器及防爆步进电机组成步进控制系统。步进电机定位控制系统原理框图如图1所示。此操作系统中，操作人员通过按钮将指令发送给PLC，FM353将PLC指令转换成内部指令后将其发送到步进电机驱动器，驱动器再将弱电信号转换成强电信号，从而控制定位平台和机械手臂精确定位完成雷管的上料。

图1 步进电机定位控制系统原理框图

2.2 硬件选型

2.2.1 PLC选型

考虑到工作时序、启停控制、位置检测、手动控制、现场报警等需求，综合分析需要73个输入点、64个输出点以及3个模拟量输入。根据实际需求选择S7-300系列的CPU314模块，该CPU可用于对过程处理能力和响应时间要求较高的场合。

2.2.2 步进电机及驱动器选型

根据实际工况，定位平台选用滚珠丝杆机构，电机采用多段速运行模式。预选德国百格拉DM397/LWA型三相混合式防爆步进电机作为定位电机。

根据自动装配机定位平台负载低、动态性要求高的特点选择驱动器WD3-007 ，该驱动器与百格拉电机配套使用性能最佳。

电机具体选型过程如下：

定位平台滚珠丝杆机构示意图如图2所示。工件质量MA=6.5 kg，工件与定位平台之间的摩擦因数μ=0.2，外力F=400 N,丝杆长度BL=0.5 m，丝杆直径BD=0.01 m，丝杆螺距BP=0.004 m，丝杆效率Bη=0.9，移动距离为d=0.4 m，轴连接器惯量JC=10×10-6kg·m2，滚珠丝杆密度ρ=7.9×103kg·m3。根据步进电机选型手册的相关计算公式可知滚珠丝杆质量BW和负载部分惯量JL分别为：

(1)

0.22×10-4kg·m2.

(2)

百格拉DM397/LWA型三相混合式防爆步进电机的主要技术参数如下：额定输出功率0.569 kW,保持转矩2.26 N·m，最高转速3 600 r/min，电机转子转动惯量JM=10×10-6kg·m2。则惯量比：

(3)

为保证步进控制系统稳定，步进电机应满足以下要求：

0

(4)

经以上计算可知，预选电机惯量比为2.2<10，符合要求。为实现步进电机的精确定位，采用多段速度运行模式(如图3所示)，加速运动时间ta=1 s，匀速运动时间tb=5 s，减速运动时间tc=1 s。

图2 滚珠丝杆机构示意图

图3 电机运行模式

设滚珠丝杆的最高直线运行速度为vmax，则有：

(5)

(6)

电机转速：

(7)

移动转矩：

(8)

最大转矩：

(9)

需要的电机转速为1 500 r/min<3 600 r/min (预选电机最高转速)，电机最大转矩Ta=0.31 N·m<2.26 N·m(预选电机保持扭矩)，故预选电机符合要求。

3 定位过程实现

3.1 FM353控制原理

对于定位控制，FM353模块可完成所有的控制运算。用户只需把控制数据传送至用户数据块，并从其中读取反馈数据即可。CPU调用POS_CTRL(FC1)函数完成用户数据块和FM353模块的数据交换。FM353控制原理如图4所示。

图4 FM353控制原理

3.2 FM353 数据块及其设定

FM353包含了机器数据、增量数据、刀具偏置、运动程序、系统程序、状态信息等数据块，所有这些数据块的设定都可以通过参数化和测试界面来完成。MD(机器数据)是FM353模块和步进驱动器的接口，同时MD也存储于UDT(User Difined Data Type)的背景数据块内，每个MD数据在FM353内有唯一地址，MD数据可以在参数化界面设置，也可以在程序中读写。参数化之后，将MD数据传输到FM(Transfer data to FM),便可进入测试界面进行测试。

3.3 FM353定位模式选择

JOG(手动模式)、REF(参考点接近模式) 、SM(增量模式)是完成定位任务的必须过程。考虑到装配精度和各种工作方式的实现，在上料电机中采用增量的模式来决定每步的距离。实际调试中，根据滚珠丝杆的螺距和步进电机的分辨率计算出随行工装中心到每个雷管座中心的距离并建立增量表，然后存入数据块。正常工作时通过调用FC1完成数据传递。

3.4 程序调用

系统正常工作时，首先在启动循环OB100中调用初始化程序块FC0(FC POS_INIT),生成FM353通道数据块(AW_DB),并完成机电同步；之后在主程序OB1中，调用FM353的控制程序块FC1(FC POS_CTRL),建立AW-DB与FM353间的通信，读出FM353状态信息并写入控制命令。FC0和FC1程序调用分别如图5、图6所示。

图5 FC0程序调用

图6 FC1程序调用

4 结论

本设计采用SIEMENS S7-300 PLC、FM353定位模块、WD3-007驱动器及德国百格拉防爆步进电机组成步进电机控制系统，整个系统自动化程度高，操作简

单，可靠性高。通过对步进电机定位模块的现场调试及实验，证明定位平台的精度达到了设计要求，完全满足企业的生产要求。

[1] 王永华.现代电器控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[2] 龙尚斌，吴泽华，曹伟华，等.步进电机开环驱动[J].机械与电子，2009(9)：26-28.

[3] 龚仲华.S7-300/400系列应用技术[M].北京：人民邮电出版社,2011.

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[5] 陈忠平.西门子S7-300/400系列PLC自学手册[M].北京：人民邮电出版社,2011.

Design of Stepper Motor Position Control System Based on SIEMENS S7-300

YANG Hui-yuan, JIAO Zhi-gang

(Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

To the accurate positioning problem of the automatic assembly machine in the automatic feeding process of detonator, a stepper motor position control system based on SIEMENS S7-300 PLC and FM353 stepper positioning module was put forward. This paper introduced the selection process of step motor, the positioning principle and use of FM353. Practice shows that this method is of high cost performance, perfect function, fully meeting the control requirements.

PLC; positioning control system; stepper motor

1672- 6413(2015)06- 0143- 02

2015- 06- 01；

2015- 10- 10

杨慧远(1985-)，男，河南平顶山人，在读硕士研究生，主要研究方向：弹药生产工艺及设备。

TP273

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