范长青

摘 要：文章介绍利用西门子S7-200 SMART PLC输出的高速脉冲输出信号及方向信号来控制步进电机驱动器，从而驱动步进电机运转，实现精确定位、正转、反转、急停、位置归零等功能。这种控制方式简单易行，成本比较低，精度较高。

关键词：PLC；步进电机；位置控制；运动控制

PLC作为新型的电控装置，由于具有可靠性高、通用性好、环境适应性好、抗干扰能力强、接线简单、编程简单易学和体积小等优点，已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、机械制造等各行各业。步进电机只有周期性的误差而无累积误差，并且控制精度稳定、准确，步进电机已经广泛应用于各类开环控制中[1]。本文利用西门子S7-200 SMART系列ST30的高速脉冲输出实现步进电机位置控制功能，给出了位置控制系统设计方案，实验表明能够实现精确定位控制。

1 控制原理

步进电机是用电脉冲信号进行控制的，每输入一个脉冲信号，输出轴便转动一定的角度或前进一步。步进电机输出轴的角位移量与输入脉冲成正比，控制输入的脉冲数就能准确地控制输出的角位移量，精准地定位。步进电机输出轴的转速与输入的脉冲频率成正比，控制输入的脉冲频率就能准确地控制步进电机的转速。改变控制绕组的通电顺序，步进电机就能反转。因此，可以通过控制输出脉冲数量、频率和控制绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

本系统是利用西门子S7-200 SMART自带的脉冲发生器向步进电机发出脉冲信号和方向控制信号，并通过调节步进电机驱动器的拨码开关实现脉冲频率变化，以此来控制电机的速度变化。这种方法可以实现步进电机的正转控制和反转控制，可实现在运转状态下，正向或反向的切换；在停止状态下，可正向或反向启动电机；在运转中实时改变旋转速度大小，并且可以实现低速运转[2-3]。步进电机控制系统框如图1所示。

2 系统硬件设计

本控制系统选用西门子S7-200 SMART系列的ST30 PLC作为控制器，S7-200 SMART系列的ST 30 PLC有18个输入点，12个输出口，两个PTO /PWM 输出端口（Q0.0，Q0.1）。系统有3个输入控制按钮，分别控制系统正转启动、反转启动和停止。有2个信号输出端，分别是步进电机运行速度控制信号和步进电机运行方向控制信号。步进电机选用42BYGH60，其步距角为1.8°，步进驱动器的型号为TB6600升级版，有6个DIP开关，S1-S3用于选择7档细分控制（1，2/A，2/B，4，8，16，32），通过S4-S6 3位拨码开关选择6档电流控制（0.5 A，1 A，1.5 A，2.0 A，2.5 A，2.8 A，3.0 A，3.5 A），丝杠的螺距为4 mm。

2.1 PLC输入输出点地址分配

PLC供电使用AC220V单相工频交流电源，输入控制信号使用3个点触按钮，按钮和开关公共端连接PLC输出电源DC24V，停止按钮接常闭触点，该触点断开时系统不能工作[4]。输入/输出点及地址分配如表1所示。

2.2 PLC硬件接线

根据控制系统的功能要求以及输入输出地址的分配，设计出西门子系列PLC控制步进电机的硬件接线图如图2 所示。

3 软件设计及功能

采用高速脉冲输出指令来控制步进电机，利用西门子S7-200 SMART系列ST30的Q0.0输出高速脉冲，Q0.2控制运动的方向。关于PLS（脉冲）指令，S7-200 SMART CPU使用SMB66-SMB85，SMB166-SMB169和SMB176-SMB179来监视与控制脉冲串输出PT00，PT01和脉宽調制输出PWM0，PWM1；SMB566-SMB579用来监视与控制脉冲串输出PT02及脉宽调制输出PWM2。丝杠螺距为4 mm，驱动器设置800个脉冲转一圈，所以用包络表来控制位移量和运行方向。高度脉冲程序如图3所示。

4 HMI面板设计

本系统的上位机选用昆仑通态TPC7062K的触摸屏，通过界面的按钮操作可以实现步进电机的正转启动、反转启动、急停和位置回零等功能，并显示步进电机的运转速度、运行距离和通信测试的状态。昆仑通态TPC7062K触摸屏界面如图4所示。

5 结语

步进电机的控制方法非常简单，可以用指令控制，也可以用向导来控制。步进电机本身精度稳定、准确，配合驱动器的细分设置可达到更高的精度，因此，广泛应用于各类开环控制中。本系统利用西门子S7-200 SMART系列ST30的高速脉冲输出实现步进电机位置控制功能，给出了位置控制系统设计方案，具有结构简单、可靠性高和成本低等优点，在一些工矿企业得到了广泛的应用。

[参考文献]

[1]杨友进，王卓君.基于S7-200SMART的步进电机控制研究[J].电工技术，2018（12）：23-24.

[2]廖常初.PLC编程及应用[M].4版.北京：机械工业出版社，2014.

[3]王雁博.基于PLC的步进电机控制系统设计[J].西安文理学院学报（自然科学版），2017（4）：40-41.

[4]章祥炜.触摸屏应用技术从入门到精通[M].北京：化学工业出版社，2017.