基于PLC控制的步进电机在三轴雕刻机上的应用

蔡东松， 董增勇

（杭州技师学院机电系，浙江 杭州 311500）

基于PLC控制的步进电机在三轴雕刻机上的应用

蔡东松， 董增勇

（杭州技师学院机电系，浙江 杭州 311500）

主要介绍了利用CPU ST40实现步进电机精确的位置控制，从而实现三轴雕刻机的工作要求。雕刻机的上位机软件设计部分本文将不做介绍。

PLC; S7-200 SMART；步进电机；三轴雕刻机

1 前言

在科学研究和生产实践的诸多领域中，智能控制越来越多地出现在人们的生活中，不仅可以节约资源，还可以释放很多的劳动力，提高生产效率。由于计算机技术的迅速发展，嵌入式系统产品越来越多地出现在人们的生活中。PLC 由最简单的逻辑量控制功能逐步发展成为通过计算机实现系统控制的能力。PLC本身具有高抗干扰性能，功能稳定，便于工程师开发等诸多优点，倍受越来越多的产品开发工程师的青睐。三轴雕刻机的出现，可以根据人们的爱好，雕刻出自己想要的小物件，提高了人们的精神生活质量。

2 系统设计

2.1 系统动作要求

三轴雕刻机主要实现了三个自由度运动控制，可以模拟数控车床和铣床的加工过程，其三个自由度的十字滑台如图1 所示，主要控制使工作台在X、Z轴二个方向上运动的二个滚珠丝杠，并控制使刀具在垂直方向（即X轴）上下运动的滚珠丝杠。

图1 三自由度十字滑台

2.2 系统组成

（1）工作台。工作台的主要功能是用来固定工件或夹具等，工作台面上的T形凹槽便于工件的安装及拆卸。

（2）滚珠丝杠。滚珠丝杠是运动的执行机构，通过丝杠的正反转动带动装在直线导轨上的螺母左右运动，在左右各端都有限位开关，通过左右开关的触发来判断是否运动到了行动的极限位置。该机构具有活动灵活、运动平稳等特点，精度高，摩擦系数小，如图2。

（3）雕刻刀具。

图2 滚珠丝杠

2.3 系统工作原理

三轴雕刻机主要通过计算机来辅助完成一个工件的制作过程。将需要加工的工件的文件通过三轴雕刻机上位机控制软件打开，上位机软件通过算法的计算，得到该工件每次的运动轨迹，通过串口传送给雕刻机的下位机PLC中，PLC通过控制X、Y、Z轴的运动轨迹来实现对工件的雕刻。X轴、Y轴、Z轴的相互运动配合实现雕刻功能。

2.4 系统的硬件组成

系统的硬件组成如图3 所示。使用s7-200 SMAR CPU ST40作为控制核心，CPU发送固定的脉冲个数，通过步进电机驱动器控制步进电机执行每一步的运行距离，在系统上电初始时系统会通过CPU控制和机械原点的限位开关来实现机械零点的初始动作，这样可以完成系统的初始化工作。

2.5 系统硬件选择

图3 系统的组成

2.5.1 PLC

PLC是现代新型的工业控制装置，具有通用性强、使用方便、应用面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点，其内部控制主要专注于逻辑关系，是一种继电器逻辑，相对于单片机来说具有通用性和适应性强、完善的故障自检测能力而且维修方便、高可靠性与柔韧性强等优点，而且小型的PLC价格比较便宜。在电磁兼容方面，PLC完全胜于单片机，单片机需要外围设计很多电路来解决电磁兼容问题，而PLC内部已经完全解决了这个问题，用户不需要考虑电磁兼容问题，这样在设计时会节约很多时间和相应的成本，而且PLC对于使用者来说门槛比较低，对于硬件、系统定义之类的繁琐的处理，PLC内部已经完成，而使用者只要专注于逻辑控制的编写即可。

ST40是标准晶体管输出类型，具有高速处理器芯片，基本指令执行时间可达0.15 μs ，系统集成了三轴 100 kHz 高速脉冲输出，完美实现对步进电机的精确定位控制。S7-200 SMART CPU模块均集成 1 个RS485 接口，可以与变频器、触摸屏、PC机等第三方设备通信。信号板支持RS232/RS485 自由转换，最多支持 4 个设备。CPU ST40具有12点输出和18点输入，I/O口数量完全满足系统的应用。

2.5.2 步进电机和驱动器

步进电机主要是将电脉冲信号转换成角位移或者线位移的开环控制执行部件，电机的转速和停止位置主要取决于脉冲信号的频率和脉冲个数，而不会受到负载变化的影响。步进电机接收到一个脉冲信号，就会转动到一个固定的角度，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机主要有以下优点：（1）步距值不受各种干扰因素的影响。（2）误差不长期积累。（3）控制性能好，启动、停车、反转都是在少数脉冲内完成的。然而步进电机也有以下缺点：（1）输出力矩随着转速上升而下降。（2）启动频率过高或者负载过大容易出现丢步或者堵转现象。通过以上优缺点对比后发现，步进电机相对于直流电机和交流伺服控制来说是相当的方便和准确，而且成本上也节约很多。综合考虑此系统，步进电机是最优的选择。

步进电机驱动器选择的是YKA2608MG，具有高性能、低价格、低噪音、平衡性极好等特点，且具有200细分。步进电机驱动器示意图如图4 。

图4 驱动器示意图

2.5.3 限位开关

接近开关是一种无需与运动部件直接接触就可以操作的位置开关。当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，直接给计算机（PLC）装置提供控制指令。接近开关是一种开关型传感器(即无触点开关)，它既有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能强、动作可靠、性能稳定、频率响应快、应用寿命长、抗干扰能力强等特点，并具有防水、防振、耐腐蚀等特点。产品有电感式、电容式、霍尔式、交、直流型等类型。本系统选择的是一款微小的电容式NPN型的接近开关，作为限位开关使用。

2.6 系统的硬件连接

2.6.1 驱动器信号端口连接

因为CPU ST40 IO端口输出高电平24V为有效电平，所以步进电机驱动器采用共阴的接法控制，因为该系统采用人为的机械原点归零，所以驱动器的原点输出信号没有用到。驱动器内部信号端口示意图如图5。

图5 驱动器内部信号端口

因为驱动器内部光耦工作在10mA电流的工作状态，且内部已经安装了限流电阻，但是由于PLC端口输出24V电压500mA的IO信号，需要外部接限流电阻来保证驱动器正常工作，所以采用共阴的方法与PLC连接。经过计算外部限流电阻应该接2.2kΩ的电阻，共阴接法如图6 。

图6 驱动器共阴接法

2.6.2 步进电机与驱动器连接

步进电机有四个接线，份红、蓝、黑、绿四个颜色，其与驱动器的接线方式如图8 。

图8 步进电机与驱动器接线

2.6.3 系统整体原理图

下面主要介绍系统的整体电气原理图，如图8。

3 系统软件设计

S7-200smart程序的编写主要使用的是西门子公司特定的编程软件——STEP 7-MicroWIN SMART，这款软件是针对smart cpu进行程序开发和编写的，下面简要说明一下整个系统的软件流程，上电系统进行归零操作，每个步进电机回归到自己的机械零点，然后根据上位机的图形执行动作。

3.1 限位开关程序

通过限位开关动作、PLC的输入触点动作，根据不同的端口就可以知道相应轴的电机是否回到了机械原点，读取限位开关程序如图9。

3.2 步进电机控制程序

步进电机驱动只要脉冲端口接收到脉冲并给定了方向信号就会运动到指定的位置，因为CPU ST40内部集成了三轴精确运动的脉冲发生器。

图8 系统电气连接图

图9 读取限位开关程序

3.2.1 X轴的控制程序

下面介绍X轴的控制程序，如图10 。

设定相应的单相控制方式，就是方向信号为高低电平的控制方式，来实现电机的正反转功能，如图11 。

设定电机的启动和停止速度，这里使用的是默认值。设定步进电机的加减速和匀速运动的脉冲数据，防止负载过大造成丢步或者堵转的现象，导致运动不准确，如图12 。

通过编程软件的运动控制向导，设定了X轴电机的运动控制参数，如图13 。

AXISO_GOTO语句模块：控制着电机的运动形式。

EN使能位：确保EN位保持开启，知道DONE位动作，说明此次运动执行完成。

START位：动作表示执行该语句模块。

Pos位：表示要移动的位置，是相对初始位置的绝对位置，就是要运行的脉冲个数，VD30寄存器接收上位机传送来的数据进行运动。

图10 X轴的控制程序

图11 实现X轴电机正反转功能的单相控制方式

图12 设定X轴电机的启动和停止速度

图13 X轴电机的运动控制参数

Speed：为运行速度，X轴的运行速度是一定的，所以VD200的数据为一个常数。

Mode位：是来选择运动类型的。0：表示绝对位置；1：相对位置。我们主要采用的是绝对位置的运动模式。

C_Dir：记录当前的运动方向，正转还是反转。

Abort位：动作说明电机减速直到停止。

C_Pos 位：记录着运动的当前位置，该值记录在VD100寄存器中。

C_peed：表示当前的运动速度，该值记录在VD200寄存器中。

Error：错误代码输出位，将该值记录到VB100寄存器中。

3.2.2 Y轴的控制程序

下面介绍Y轴的控制程序设定，如图14。

设定相应的单相控制方式，就是方向信号为高低电平的控制方式，来实现电机的正反转功能，如图15。

图14 Y轴的控制程序

图15 实现Y轴电机正反转功能的单相控制方式

X轴和Y轴的运动的最大速度是一样的，所以配置不需更改，默认就可以。设定了Y轴运动的加减速时间，X轴和Y轴的运动加减速是一样的，不需更改，如图16。

通过编程软件的运动控制向导，设定了Y轴电机的运动控制参数，如图17。

AXISO_GOTO语句：模块控制着电机的运动形式。

EN使能位：确保EN位保持开启，知道DONE位动作说明，此次运动执行完成。

START位动作：表示执行该语句模块。

Pos位：表示要移动的位置，是相对初始位置的绝对位置，就是要运行的脉冲个数。VD32寄存器接收上位机传送来的数据进行运动。

Speed：运行速度， Y轴的运行速度是一定的，所以VD202的数据为一个常数。

Mode位：选择运动类型，0：绝对位置；1：相对位置；主要采用的是绝对位置的运动模式。

C_Dir：记录当前的运动方向，正转还是反转。

Abort位：动作说明电机减速直到停止。

C_Pos 位：记录着运动的当前位置，该值记录在VD102寄存器中。

C_peed：表示当前的运动速度，该值记录在

VD202寄存器中。

图16 设定Y轴电机的启动和停止速度

图17 Y轴步进电机的的运动控制参数

Error：错误代码输出位，将该值记录到VB102寄存器中。

3.2.3 Z轴的控制程序

Z轴主要是刀具的运动，所以加减速的时间会短一些，控制程序设定如图18。

Z轴的控制方式和X、Y轴是一样的。设定相应的单相控制方式，就是方向信号为高低电平的控制方式，来实现Z轴电机的正反转功能，如图19。

为了保护刀具，设定了Z轴启动、停止速度和最大速度，低速运行以免损坏刀具。因为最大速度改变，加减速的时间也相应进行了修改，如图20。

通过编程软件的运动控制向导，设定了Z轴电机的运动控制参数，如图21。

AXISO_GOTO语句：模块控制着电机的运动形式。

图18 Z轴的控制程序

EN使能位：确保EN位保持开启，知道DONE位动作，说明此次运动执行完成。

START位动作：表示执行该语句模块。

Pos位：表示要移动的位置，是相对初始位置，绝对位置是要运行的脉冲个数，VD32寄存器接收上位机传送来的数据进行运动。

Speed：运行速度， Z轴的运行速度是一定的，所以VD204的数据为一个常数。

Mode位：选择运动类型，0：绝对位置；1：相对位置；主要采用绝对位置的运动模式。

C_Dir：记录当前的运动方向，正转还是反转。

Abort位：动作说明电机减速直到停止。

图19 实现Z轴电机正反转功能的单相控制方式

图20 设定Z轴电机的启动和停止速度

图21 Z轴电机的运动控制参数

C_Pos 位：记录着运动的当前位置，该值记录在VD104寄存器中。

C_peed：表示当前的运动速度，该值记录在VD204寄存器中。

Error：错误代码输出位，该值记录到VB104寄存器中。

在每次运动的过程中，都会监测错误标志输出位，这里主要介绍一些重要的错误代码，其他可参照西门子官网的手册。把错误代码存储在寄存器中，错误代码如表1 所示。

表1 错误代码

4 结束语

主要介绍了三轴雕刻机电气部分，通过PLC控制步进电机来进行工作，并通过控制步进电机驱动器来实现步进电机的精确控制，实现三轴雕刻的加工动作。其中上位机软件部分本文没有进行说明。

Application of stepping motor in three axis engraving machine based on PLC control

Cai Dongsong, Dong Zengyong
( Department of mechanical and electrical engineering, Hangzhou Technician College, Hangzhou 311500,China )

This paper mainly introduces the precise position control of stepping motor by using CPU ST40, so as to realize the working requirements of three axis engraving machine. The design of the upper computer software of engraving machine will not be introduced in this paper.

PLC; S7-200 SMART; stepping motor; three axis engraving machine

TP273

B

1672-4852（2017）03-0030-08

2017-02-09.

蔡冬松（1989-），男 ，工程师.

（编辑：林小江）