基于西门子S7-200PLC驱动控制步进电机的设计及应用
2018-02-21张嘎
张 嘎
（滨州渤海活塞有限公司， 山东 滨州 256600）
引言
步进电机是一种执行机构，在PLC（Programmable Logic Controller）的控制下，控制系统中的电脉冲和信号都会被发送给步进电机的驱动器，驱动器会根据传来的数值进行相关的计算和程序输出，从而达到借助于驱动器的控制来完成对步进电机发布各种指令任务的目的。步进电机只是一个执行机构，需要背后的驱动控制来完成对其的指令的发布，所以步进电机中驱动控制这部分的作用就很重要。而西门子S7-200PLC可以对步进电机下达更加精确的指令，从而可以推动步进电机的工作，提高其工作的准确性和工作效率。
1 硬件选型及设计
1.1 PLC的型号选择
PLC想要控制步进电机的驱动器，就需要借助于高速脉冲，因为电脉冲的数量是可以控制步进电机的角位移。电脉冲数量越多，控制步进电机的角位移就越大，二者之间呈现正向比例关系。PLC对于步进电机的数字输出分为两种，即继电器输出和晶体管输出这两种。对于开关频率低的情况一般是由继电器来负责完成输出工作的，对于开关频率高的情况则是由晶体管输出来完成的。两种输出方式对于步进电机来说都是适用的，PLC中的各种程序会根据实际的数值情况，有目的选择其中一种输出方式来完成工作指令。所以进行各种情况分析之后，可以选择西门子S7-200CPU226型号下的PLC就可以满足设计要求。S7-200CPU226型号下的PLC对于设计来说，不仅满足以上所分析的各种情况，而且性价比高，经济实惠，适用于自动化生产系统中。工业自动化生产上选择应用此款机器设备，不管是从电流情况还是在其他情况来说，都是比较实际的[1]。
1.2 步进电机的型号选择
对于如何选择合适的步进电机，需要考虑到的因素：电流情况，步矩角，静力矩。
步矩角指的是一个脉冲电信号转子转过的角度，而它的大小是由步进电机所能承受的负载精确度来决定的。而静力矩的大小确定则是要看整个步进电机的承载负荷大小，静力矩只要大于整个步进电机的承载负荷大小就可以达到设计的要求了。至于电流要求，则是需要根据整个步进电机的系统情况来设定，只要电流量足够步进电机整个系统运作工作正常，就可以达到设计要求。系统正常工作不需要太大的电流，电流太大反而容易引发事故状况的发生。而且对于工厂自动化生产来说，车间本就已经存在较大的电流通过量，为了安全起见，步进电机的电流合适就行，不需要太大。在各个方面进行了分析之后，86BYG250两相步进电机是可以符合步进电机的设计要求的[2]。
1.3 步进电机驱动器的型号选择
步进电机的驱动器相当于一个次核心软件，从主要核心软件控制系统处接受到指令信息后，就进行和指令相关的一系列操作来完成对步进电机的控制，使得步进电机可以按照指令去完成工作任务。由于驱动器和步进电机二者之间存在着控制和被控制的关系，因此二者的型号必须匹配才能完成协合工作。根据和驱动器相关的程度划分情况来看，驱动器的选择还应该考虑脉冲的频率和步进电机的方向。此外，为了提高对步进电机的控制程度，可以选择携带细分功能的驱动器。综合以上情况，最终可以选择SH-20806N-D型号的步进电机驱动器。
2 PLC控制程序设计
PLC对步进电机所实行的程序控制是根据自动计量落科装置的要求而设计的，整个流程都是根据各个部件的功能串连起来完成一系列工作的。首先，会计算出需要的总料量和下料量多少，根据这两个数值就可以计算出落料器会旋转多少圈。其次是根据计算出来的落料器转动圈数来进一步确定步进电机的脉冲数量。最后是要借助于PLC的控制作用，需要PLC把脉冲的数量通过继电器输出或者晶体管的输出传达到步进电机的驱动器中，驱动器则会根据指令对步进电机进行相关的执行工作，步进电机会在得到指令后完成任务，最终可以达到精确的计量目的。在S7-200PLC中的脉冲数量处理上，特意在两个脉冲输出端口上输出了两种可以调节宽度的PWN脉冲和PTO脉冲。此外，为了给PLC中的包络表程序提供多种选择，增加执行系统的准确性。在整个S7-200PLC系统中还设置了PTO的两种输出方式。一个是单段线的PTO输出方式，另外一个是多段线的PTO输出方式。因为单段线的PTO输出方式比较有限，只能针对于脉冲个数的脉冲值输出；而多段线的PTO输出方式功能比单段线的PTO输出方式齐全。它一次的输出量可以堪比多次单段线的PTO输出的总量，最重要的是也可以根据实际情况对周期值进行一定的设置改变[3]。
3 S7-200PLC应用程序的实现
在PLC的控制系统下主要包含四个大方面上的程序，即初始化程序、方向控制程序、包络表程序。上位机接受转换程序等。其中初始化程序是可以用来控制字节的，如果字节数不符合、或者字符地址出现问题，都可以用初始化程序进行控制改变；而方向控制程序则是用来控制步进电机的工作方向的，对于上级传达的指令方向，借助于方向程序控制可以准确地规范步进电机的工作方向；包络表程序主要是负责执行脉冲输出指令的，负责脉冲数量的数量输出，从而可以确定步矩角的大小值；对于上位机接受转换程序可以根据上一个环节传来的数值，进行一系列的转换后，使得字节可以变成字符。再进行数值计算后，得到下一个计量数值，并传输给下一个部件，进行指令传输等。这四个程序之间的相互合作和相互作用，可以使得S7-200PLC应用程序的得以实现。
4 结语
借助于PLC实现对步进电机的控制，不仅程序设计简单，而且操作起来也很方便，容易上手。对于不同型号、不同相数的步进电机只需根据实际相关对各个设计参数进行一个科学合理的调整，就可以应用。PLC控制下的步进电机，不仅操作准确性度高，而且工作效率也高，这种设计方法，在很大程度上提高了步进电机控制系统的可靠性和灵活性。
