基于PLC的步进电机运动控制

一、 步进电机工作原理

1. 步进电机简介

      步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；也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。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单

2. 步进电机的运转原理及结构

      电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A‘与齿5相对齐，（A‘就是A，齿5就是齿1）

3. 旋转

      如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力，以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て
      这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。
步进电机的静态指标术语
      拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

4. 步进电动机的特征

      1) 运转需要的三要素：控制器、驱动器、步进电动机

      以上三部分是步进电机运转必不可少的三部分。控制器又叫脉冲产生器，目前主要有PLC、单片机、运动板卡等等。

      2) 运转量与脉冲数的比例关系

二、 西门子S7-200 CPU 224 XP CN

      本机集成14输入/10输出共14个数字量I/O点。2输入/1输出3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。22K字节程序和数据存储空间，6个独立的30KHz高速计数器，2个独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS458通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强能力的控制器。

 
三、 三相异步电动机DF3A驱动器

1.产品特点
      可靠性高:数字技术和单片机的应用,使得驱动器线路简单可靠;合理的结构设计，使得整机结构紧凑、防护性能好；短路、过流、超温、欠压保护线路提供全面、可靠的保护、大大提高了步进驱动器的可靠性。低速性能好：引入单片机进行软环分及矢量细分，实现1:1平滑细分及5、10、20倍矢量细分，使得步进电机低速运行平稳，避免振荡及失步。矢量细分技术的应用，使得与μm级位置控制器配套的步进系统输出精度接近μm级。高速性能优：输入信号频率不大于250kHz（20细分时），输出电流频率可达15kHｚ。由于采用单高压（300V）恒流斩波，高速特性好，驱动步进电机空载运行最高速不低于7.0mm/min适用面广：输出电流3A～10A可调，可驱动90BF、110BF、130BF步进电机，输出转矩2N•m～25N•m。
2.主要技术参数

四、 PLC与步进电机驱动器接口原理图

五、 PLC控制实例的流程图及梯形图

1. 控制要求
      1) 要求点机能正反转
      2) 电机有高低速两档
      3) 电机位移和距离有两档
      4) 要求说明用PLS原理
      5) 所有换挡均需要在电机停止时进行
2. 流程图

步进电机的定位控制

plc输出的集成脉冲可通过步进电机进行定位控制。关于定位控制，调节和控制操作之间存在一些区别。步进电机不需要连续的位置控制，而在控制操作中得到应用。在以下的程序例子中，借助于cpu214所产生的集成脉冲输出，通过步进电机来实现相对的位置控制。虽然这种类型的定位控制不需要参考点，本例还是粗略地描述了确定参考点的简单步骤。因为实际上它总是相对一根轴确定一个固定的参考点，因此，用户借助于一个输入字节的对偶码(dual coding)给cpu指定定位角度。用户程序根据该码计算出所需的定位步数，再由cpu输出相关个数的控制脉冲。 

1、 系统结构
如图1所示：

                       图1 系统结构 


2、 硬件配置
如表1所示：

3、软件结构
3.1 plc的输入信号与输出信号
plc的部分输入信号与输出信号，以及标志位如表2所示。

 3.2 系统软件设计
plc的程序框图如图2所示。

3.3 初始化
在程序的第一个扫描周期(sm0.1=1)，初始化重要参数。选择旋转方向和解除联锁。
3.4 设置和取消参考点
如果还没有确定参考点，那么参考点曲线应从按“start”按扭(i1.0)开始。cpu有可能输出最大数量的控制脉冲。在所需的参考点，按“设置/取消参考点”开关(i1.4)后，首先调用停止电机的子程序。然后，将参考点标志位m0.3置成1，再把新的操作模式“定位控制激活”显示在输出端q1.0。
如果i1.4的开关已激活，而且“定位控制”也被激活(m0.3=1)，则切换到“参考点曲线”参考点曲线。在子程序1中，将m0.3置成0，并取消“定位控制激活”的显示(q1.0=0)。此外，控制还为输出最大数量的控制脉冲做准备。当再次激活i1.4开关，便在两个模式之间切换。如果此信号产生，同时电机在运转，那么电机就自动停止。
实际上，一个与驱动器连接的参考点开关将代替手动操作切换开关的使用，所以，参考点标志能解决模式切换。
3.5 定位控制
如果确定了一个参考点(m0.3=1)而且没有联锁，那么就执行相对的定位控制。在子程序2中，控制器从输入字节ibo读出对偶码方式的定位角度后，再存入字节mb11。与此角度有关的脉冲数，根据下面的公式计算:
n=φ/360°×s
式中:n-控制脉冲数
φ-旋转角度
s-每转所需的步数
该程序所使用的步进电机采用半步操作方式(s=1000)。在子程序3中循环计算步数，如果现在按“start”按钮(i1.0)，cpu将从输出端q0.0输出所计算的控制脉冲个数，而且电机将根据相应的步数来转动，并在内部将“电机转动”的标志位m0.1置成1。 在完整的脉冲输出之后，执行中断程序0，此程序将m0.1置成0，以便能够再次起动电机。
3.6 停止电机
按“stop”(停止)按扭(i1.1)，可在任何时候停止电机。执行子程序0中与此有关的指令。 
4、 程序和注释

//标题:用脉冲输出进行定位控制
//主程序
ld sm0.1             //仅首次扫描周期sm0.1才为1。
r m0.0，128      //md0至md12复位
atch 0，19        //把中断程序0分配给中断事件19(脉冲串终止)
eni                     //允许中断

//脉冲输出功能的初始化
movw 500，smw68      //脉冲周期t=500us
movw 0,smw70            //脉冲宽度为0(脉冲调制)
movd 429496700，smd72      //为参考点设定的最大脉冲数

//设置逆时针旋转
ldn m0.1          //若电机停止
a i1.5               //且旋转方向开关=1
s q0.2，1        //则逆时针旋转(q0.2=1)

//设置顺时针旋转
ldn m0.1         //若电机停止
an i1.5            //且旋转方向开关=0
r q0.2，1       //则逆时针旋转(q0.2=0)

//联锁
ld i1.1            //若按“stop”(停止)按钮
s m0.2，1     //则激活联锁(m0.2=1)

//解除联锁
ldn i1.1         //若“start”(启动)按钮松开
an i1.0         //且“stop”(停止)按钮松开
r m0.2，1     //则解除联锁(m0.2=0)     

 //确定操作模式(参考点定位控制)
ld i1.4      //若按“设置/取消参考点”按钮
eu             //上升沿
call 1        //则调用子程序1

//启动电机
ld i1.0                        //若按“start”(启动)按钮
eu                             //上升沿
an m0.1                    //且电机停止
an m0.2                     //且无联锁
ad≥ smd72，1      //且步数≥1，则
movb 16#85，smb67           //置脉冲输出功能(pto)的控制位
pls 0                               //启动脉冲输出(q0.0)
s m0.1，1                 //“电机运行”标志位置位(m0.1=1)

//定位控制
ld m0.3                //若已激活“定位控制” 操作模式
an m0.1                 //且电机停止
call 2                  //则调用子程序2

//停止电机
ld i1.1                      //若按“stop”(停止)按钮
eu                      //上升沿
a m0.1                  //且电机运行，则
call 0                  //则调用子程序0
mend                  //主程序结束

//子程序1
sbr 0                             //子程序0停止电机
movb 16#cb，smb67               //激活脉宽调制
pls 0                            //停止输出脉冲到q0.0
r m0.1，1                  //“电机运行”标志位复位(m0.1=0)
ret                            //子程序0结束
sbr1                     //子程序1，“确定操作模式”
ld m0.1                  //若电机运行
call 0                     //则调用子程序0，停止电机
//申请“参考点曲线”
ld m0.3                      //若已激活“定位控制”，则
r m0.3，1                //参考点标志位;复位(m0.3=0)
r q1.0，1               //取消“定位控制激活”信息(q1.0=0)
movd 429496700，smd72              //为新的“参考点曲线”设定最大的脉冲数。
cret                    //条件返回到主程序。
//申请“定位控制”
ldn m0.3              //若未设置参考点(m0.3=0)，则
s m0.3，1             //参考点标志位置位(m0.3=1)
s q1.0，1            //输出“定位控制激活”信息(q1.0=1)
ret                        //子程序1结束

//子程序2
sbr2                //子程序2，“定位控制”
movb ib0，mb11                    //把定位角度从ibo拷到md8的最低有效字节mb11。
r m8.0，24                           //mb8至mb10清零
div 9，md8                            //角度/9=q1+r1
movw mw8，mw14             //把r1存入md12
mul 25，md8                      //q1×25→md8
mul 25，md12
div 9，md12                      // r1×25／9= q2+r2
call 3
//在子程序3中循环步数
movw 0，mw12                   //删除r2
+d md12，md8                      //把步数写入md8
movd md8，smd72                      //把步数传到smd72
ret                             //子程序2结束

//子程序3
sbr3                        //子程序3，“循环步数”
ldw≥mw12，5           //如果r2≥5／9，则
incw mw14                //步数增加1。
ret
//子程序3结束

//中断程序0，“脉冲输出终止”
int0               //中断程序0
r m0.1，1                //“电机运行”标志位复位(m0.1=0)
ret                    //子程序0结束

         我来晚了

又学习了，高手快出来啊

                                                                                ② 结构化化控制程序（单四拍）：

※结构化化控制程序（单四拍）：
                                                                                              @FC1输出符号表

                                                                                                   @FC1输入符号表

★结构化OB1主控制程序：

★结构化FC1分控制程序：

以上即为结构化化控制程序。

　　利用松下FP1可编程序控制器可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便可靠地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，加速了机电一体化的实现。

控制方法及思路：

 1、FP1的特殊功能： (1) 脉冲输出　　 FP1的输出端Y7可输出脉冲，脉冲频率可通过软件编程进行调节，其输出频率范围为360Hz～5kHz。　　 (2) 高速计数器（HSC）　　 FP1内部有高速计数器，可同时输入两路脉冲，最高计数频率为10kHz，计数范围-8388608～+8388607。　　 　　 (3) 输入延时滤波　　 FP1的输入端采用输入延时滤波，可防止因开关机械抖动带来的不可靠性，其延时时间可根据需要进行调节，调节范围为1ms～128ms。　　 (4) 中断功能　　 FP1的中断有两种类型，一种是外部硬中断，一种是内部定时中断。

2、步进电机的速度控制：  FP1有一条SPD0指令，该指令配合HSC和Y7的脉冲输出功能可实现速度及位置控制。速度控制梯形图见图1，控制方式参数见图2，脉冲输出频率设定曲线见图3，梯形图程序见图4。

电气原理图如下：

　　3、控制系统的程序运行　　
　　
　　关于此控制系统的接线：plc的Y7输出的脉冲作为步进电机的时钟脉冲，经驱动器产生节拍脉冲，控制步进电机运转。同时Y7接至PLC的输入接点X0，并经X0送至PLC内部的HSC。HSC计数Y7的脉冲数，当达到预定值时发生中断，使Y7的脉冲频率切换至下一参数，从而实现较准确的位置控制。实现这一控制的梯形图及外部接线图分别见图4、图5。
　　

　　控制系统的运行程序：第一句是将DT9044和DT9045清零，即为HSC进行计数做准备；第二句～第五句是建立参数表，参数存放在以DT20为首地址的数据寄存器区；最后一句是启动SPD0指令，执行到这句则从DT20开始取出设定的参数并完成相应的控制要求。

        由第一句可知第一个参数是K0，是PULSE方式的特征值，由此规定了输出方式。第二个参数是K70，对应脉冲频率为500Hz，于是Y7发出频率为500Hz的脉冲。第三个参数是K1000，即按此频率发1000个脉冲后则切换到下一个频率。而下一个频率即最后一个参数是K0，所以当执行到这一步时脉冲停止，于是电机停转。故当运行此程序时即可使步进电机按照规定的速度、预定的转数驱动控制对象，使之达到预定位置后自动停止。

好东西受益不浅，谢谢啊

 好文，可以借鉴。

我就看看，好好学习一下。