基于S7-200 Smart PLC的三轴定位系统的步进电机伺服控制设计

刘凯

摘要 为了能够提高多台电机协调性从而提高自动化系统的控制可靠性和精确度，本文以S7-2 00Smart CPU作为控制核心，以三轴定位为控制方法，分析研究步进电机的控制。从实际工程中可知，三轴定位对步进电机的速度、精度以及可靠性都有较好的控制效果。

【关键词】S7-200 Smart 三轴定位 步进电机

1 引言

随着工业自动化的快速发展，对于电机控制的精确度和速度要求越来越高。多轴协调运动控制与复杂曲面、曲轴的加工、缠绕机械、多轴联动数控机床等设备密切相关。多台电机之间协调性能的优劣直接影响系统的可靠性和控制精度。所以对于步进电机的伺服控制至关重要。

2 相关技术概述

2.1 S7-200 Smart简介

S7-200 Smart系列控制器是西门子的一款标准型晶体管输出型CPU，模块内部集成了1个以太网接口、1个RS485接口、拥有可以扩展为3个的通信接口，能够满足小型自动化设备的连接触摸屏、变频器等外设。CPU模块本体含有18个数字量输入点和12个数字量输出点，能够最多集成3路高速脉冲输出，频率可以达到lOOkHz，支持PWM/PTO输出方式以及多种运动模式，可自由设置运动包络，如果按照运行时速900mm/s来进行计算，步进电机接收到4000个脉冲则旋转一周，此时步进电机滑行距离为90mm，需要CPU提供的频率为4kHz，显然本类型CPU是完全能够满足需求的，配以方便易用的向导设置功能，快速实现设备调速、定位等功能。在软件编程上，西门子编程软件强大功能基础上，融入了较多的人性化设计，如新颖的带状式菜单、全移动式界面窗口、方便的程序注释功能、强大的密码保护等。在体验强大功能的同时，大幅提高开发效率。本文采用S7-200 Smart PLC能够在本体上的QO.o，Qo.l和Q0.3可组态的三轴lOOkHz的高速脉冲输出下，实现步进电机的精确定位。

2.2 三轴定位运动方式总体要求

为了提高控制的精确度，减少由于工程上相关控制设备或探测装置因为所处的位置及距离不准确而引起的测量误差，对于不仅电机的控制采用的三轴定位控制。所谓的三轴，顾名思义，实际控制的三个方向上，即坐标轴的X、Y、Z方向。如图1所示。

X-Y-Z三轴协调步进电机的伺服控制系统采用上述的S7-200 Smart PLC、伺服驱动器、步进电机、编码器、位置传感器等模块实现系统的闭环控制，通过实时改变输入的进给脉冲数量、频率、方向，然后通过步进电机、伺服驱动器，实现运行设备的位移量、运行速度和方向控制的目的。三轴定位运动方式主要有4个功能：

（1）运动装置能够实现“开始”、“停止”、“复位”功能，并且能够实现手动和自动的自由切换。

（2）在完成系统的复位后，在自动控制方式下，X轴、Y轴、Z轴需要按照图1所示的运动轨迹进行运动。

（3）若是采用手动操作时，可以实现控制设备的上下、左右、前后的点动运动控制。

（4）X轴、Y轴、Z轴在完成了两个工位后回到原点，工作台一周期运动结束。

2.3 步进电机

兩相步进电机是定位系统最基本的执行元件，体积小、转矩大，专门针对RD系列驱动器设计。步进电机与驱动器阻抗匹配可以最大限度地发挥驱动器的驱动能力，提高运行效率。

3系统硬件设计

将S7-200 Smart PLC的三个引脚Q0.0，Q0.1和Q0.3分别连接三个步进电机驱动器，Q0.2、Q0.7和Q1.0作为方向控制信号接连接。此时得到的步进电机与驱动器之间的电路连接如图2所示。

从电路中可以看到，整个系统的驱动部分分为步进电机驱动器和步进电机。本文采用的步进驱动器为RD-023MS驱动器，该驱动器将控制器来的信号放大、变换，用来驱动步进电机，通常情况下，驱动器性能的好坏将直接决定了步进电机定位的准确性。该驱动器属于两相步进驱动器，采用脉冲输入方式，相对控制较为简单。RD-023MS驱动器中的细分点是能够选择，若采用最大400细分，则此时获取的最小定位角度步距为1.8° /400=0.0045°，所以获得的步进电机控制精度非常高，对于无振动驱动场合比较适用。RD-023MS从CPU中接收到的脉冲信号和方向信号经过相应的转换后得到了角位移和转动的方向，此时RD-023MS每接收到一个脉冲，步进电机就会进给一个步距角。所以，若需要对位置进行控制时，只需要知道需要运行的位移，然后通过转换成为脉冲个数，在三轴上可以转换为水平位移，从而实现步进电机的具体位置的控制。对于电机的速度控制主要是通过改变脉冲的占空比。电机的运行正反转是通过改变脉冲的方向而实现的。

需要注意的是，从理论中分析，RD-023MS驱动器每接收到一个脉冲信号步进电机就会运行一个步距角，但是在实际工程应用中有时会出现脉冲信号变化过于迅速，因为步进电机的转动惯量较大导致无法适应脉冲的快速变化，从而出现丢步或者堵转发热情况，所以在实际应用步进电机时，在启动过程中需要有一个缓慢过渡阶段，停止时也需要有一个减速过程。

由于西门子PLC的输出信号是+24V，而伺服驱动的控制信号是+5v，因而需要在PLC和伺服驱动器之间串联一只2KQ的电阻，起分压作用，使输入信号接近+5V，且由于西门子PLC是PNP接法，故PLC和伺服驱动器之间必须采用共地连接，否则无法形成回路。

4 系统软件设计

在对步进电机伺服控制的程序设计中采用的是PLC开发软件STEP7-Micro/WINSmart，该软件能够提供灵活的编程方式以及较为丰富的编程指令，在实际编程中能够让复杂问题简单化。

在实际控制时要求系统既能实现手动操作也可以采用自动操作。所谓的手动操作就是单步执行，该操作主要用于对各轴动作位置参数的修改以及维修时的手动工作，调试系统各单元模块功能是否正常以及运行效果。自动操作也称之为全速运行，该方式能够循环连续执行。在程序设计时，需要完成一下功能：

（1）初始化：主要是设置步进电机各轴的具体位置、电磁阀的开关状态 以及位置传感器的初始状态。

（2）启停控制：在系统上电操作后，系统能够较为稳定的启动，然后设置“自锁”和“互锁”模式，从而使得在电机出现异常运行时能够自动且快速的停止。

（3）原点归零：该功能分为三种情况实现，其一是突然断电，此时容易出现再启动时发生碰撞，此时需回到零点;其二，三个方向的电机都不在原点;其三，有一个电机在原点。处理情况一和二主要依赖于X轴和Y轴的联动让三个电机全部归零;情况三主需要考虑X轴和Y轴，只需要移动其中一个方向的电机即可通过限位开关和位置传感器回到原点。

（4）位置控制：将三轴投影于二维平面，且此时只考虑X轴和Y轴的运动轨迹，如图3所示。从点A到B存在两种路径，一是从A-B，需要两轴同时运动，二是从A-C-B，只需要单轴运动，即X轴运动后Y轴再运动。经过分析第一种路径更加高效。

（5）速度控制：本文采用开环控制，既简单易行也能节省成本，步进电机在启动时必须处于低速状态下，然后才能慢慢加速。停止时也需要有个减速过程。只有启停运行适合才能够让装置精准的到达指定位置。在从起点移动到终点的过程中，电机的加速过程要尽可能短，然后进入匀速阶段，此階段要尽可能长，如果移动的距离较短，可以没有高速匀速阶段。后半段为电机的减速阶段。

5 结束

步进电机是在日常生活中应用较为广泛，在工业自动化领域的应用较为关键。目前，对于步进电机的精确控制正备受关注。本文以S7-200 Smart CPU作为控制核心，以三轴定位为控制方法，分析研究步进电机的控制。从实际工程中可知，三轴定位对步进电机的速度、精度以及可靠性都有较好的控制效果。在实际工程应用中具有一定的借鉴意义。

参考文献

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