在PLC對各種工業(yè)、物流等生產(chǎn)流水線的控制中，常見的環(huán)節(jié)是對步進電動機的控制。步進電動機是一種用電脈沖進行控制、將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應角位移或線位移的開環(huán)控制元件。正常情況下，電動機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，不受負載變化的影響，當步進電動機的驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時，驅(qū)動電動機按照設定的方向旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，即步距角。電動機的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度逐步進行的，通過控制脈沖數(shù)量來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電動機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。

    就一個傳動速比確定的具體設備而言，無需距離、速度信號反饋環(huán)，只需控制脈沖的數(shù)量和頻率即可控制設備移動部件的移動距離和速度，而方向信號可控制移動的方向。另外，步進電機可以實現(xiàn)細分運轉(zhuǎn)方式。因此，盡管步進電機的步距角受機械制造的限制不能很小，但可以通過電氣控制的方式使步進電機的運轉(zhuǎn)由原來的每個整步細分成多個小步來完成，提高了設備運行的精度和平穩(wěn)性。

    對于那些在運行過程中移動距離和速度均確定的具體設備，采用PLC通過驅(qū)動器來控制步進電動機的運轉(zhuǎn)是一種理想的技術(shù)方案。本節(jié)以三相六拍步進電動機的控制為例，簡要介紹S7 -200系列PLC在步進電動機控制中的應用。

    一、步進電動機的工作原理

    三相步進電動機的結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖7-32所示，當A相繞組通直流電流時，根據(jù)電磁學原理，便會在AA方向產(chǎn)生磁場，在電磁力的作用下，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的齒與定子AA磁極上的齒對齊。若A相斷電、B相通電，這時新的磁場電磁力又吸引轉(zhuǎn)子的兩極與BB磁極齒對齊，轉(zhuǎn)子沿順時針轉(zhuǎn)過60°。通常，步進電動機繞組的通斷電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度角α稱為步距角。因此，圖7-32所示步進電動機的步距角α等于60°。若控制線路不停地按A→B→C→A…的順序控制步進電動機繞組的通斷電，步進電動機的轉(zhuǎn)子便不停地順時針轉(zhuǎn)動。若通電順序改為A→C→B→A…，同理，步進電動機的轉(zhuǎn)子將逆時針不停地轉(zhuǎn)動。

    圖7-32    三相步進電動機的結(jié)構(gòu)原理圖

    若以三相六拍通電方式工作，當A相通電轉(zhuǎn)為A相和B相同時通電時，轉(zhuǎn)子的磁極將同時受到A相繞組產(chǎn)生的磁場和B相繞組產(chǎn)生的磁場的共同吸引，轉(zhuǎn)子的磁極只好停在A相和B兩相磁極之間，這時步距角α等于30°。當由A和B兩相同時通電轉(zhuǎn)為B相通電時，轉(zhuǎn)子磁極再沿順時針旋轉(zhuǎn)30°，與B相磁極對齊。其余以此類推，所以采用三相六拍通電方式，可使步距角α縮小一半。

    在本節(jié)中，主要講述PLC對三相六拍步進電動機的控制。對三相六拍步進電動機的控制，主要有兩個方面，三相繞組的接通與斷開順序以及對步進速度的控制，其控制要求如下：

    (1)按下正向啟動按鈕，步進電動機按A→AB→B→BC→C→CA→A的時序正向轉(zhuǎn)動。

    (2)按下反向啟動按鈕，步進電動機按A→AC→C→CB→B→BA→A的時序反向轉(zhuǎn)動。

    (3)運行過程中，正/反轉(zhuǎn)可不停地轉(zhuǎn)換。

    (4)步進速度慢速為0.5s，快速為0.05s，并可隨時手動變速。

    (5)每次啟動均從A相啟動。

    二、步進電動機控制系統(tǒng)硬件設計

    1．輸入/輸出信號分析

    步進電動機PLC控制系統(tǒng)的硬件組成示意圖如圖7-33所示，由該組成示意圖可知，步進電動機PLC控制系統(tǒng)的輸入信號有：電動機正向、反向和停止按鈕各1個，控制其運行速度的按鈕1個，共有4路輸入信號，需4個輸入端子。

    圖7-33    步進電動機控制系統(tǒng)的硬件組成示意圖

    輸出信號：控制電動機三相繞組旋轉(zhuǎn)的3路信號，需3個輸出端子。

    2．PLC的輸入/輸出分配表

    根據(jù)步進電動機的工作原理以及相應的控制要求，結(jié)合圖7-33所示的硬件接線示意圖，可知該步進電動機控制系統(tǒng)中有4個數(shù)字輸入量和3個數(shù)字輸出量，可設計如表7-5所示的三相六拍步進電動機PLC控制的輸入輸出分配表。

    表7-5    相六拍步進電動機PLC控制的輸入/輸出分配表

    3．PLC的選型

    根據(jù)表7-5中的輸入/輸出端子數(shù)，參考第2章表2-1 S7-200 CPU系列產(chǎn)品主要性能指標，本實例可以選用西門子公司S7-200系列PLC中的CPU221作為控制主機。

    4．PLC的硬件接線圖

    根據(jù)PLC的輸入/輸出分配情況，結(jié)合圖7-33所示的PLC控制系統(tǒng)硬件組成示意圖，可以畫出如圖7-34所示的PLC主機的硬件接線圖。

    三、步進電動機控制系統(tǒng)軟件設計

    根據(jù)具體的控制要求，可以畫出步進電動機控制系統(tǒng)的流程圖，如圖7-35所示。

    圖7-34    步進電動機PLC主機的硬件接線圖

    圖7-35    步進電動機控制系統(tǒng)的流程圖

    在本例中，采用移位指令進行步進控制。首先指定移位寄存器MB0，按照三相六拍的步進順序，移位寄存器每左移一位，電動機前進一個步距角，完成六拍后重新賦初值。移位寄存器的初值如表7-6所示。

    表7-6    移位寄存器初值

    其中，M0.6和M0.7始終為“0”，據(jù)此，可做出移位寄存器輸出狀態(tài)及步進電動機繞組的狀態(tài)真值表，如表7-7所示。

    表7-7    移位寄存器輸出狀態(tài)及步進電動機繞組的狀態(tài)真值表

    以正轉(zhuǎn)為例對表7-7中數(shù)據(jù)進行解釋。初始狀態(tài)時，移位寄存器位M0.0～M0.5均為0，步進電動機三相繞組狀態(tài)均為0。當?shù)谝粋�脈沖到達后，M0.0位為1，步進電動機轉(zhuǎn)動一個步距角，A相繞組通電，即A相繞組狀態(tài)為1，其余兩相繞組狀態(tài)仍為0。當?shù)诙�個脈沖到達時，M0.1位為1，A相通電轉(zhuǎn)為A相和B相同時通電，轉(zhuǎn)子的磁極停在A和B兩相磁極之間，所以此時A相和B相繞組狀態(tài)均為1，C相繞組狀態(tài)仍為0。當?shù)谌齻�脈沖到達時，M0.2位為1，步進電機再次轉(zhuǎn)過一個步距角，此時B相繞組通電，B相繞組狀態(tài)為1，A相和C相狀態(tài)為0。當?shù)谒膫�脈沖到達時，M0.3位為1，步進電機再次轉(zhuǎn)過一個步距角，此時B相和C相繞組通電，B、C相繞組狀態(tài)為1，A相狀態(tài)為0。當?shù)?個脈沖到達時，M0.4位為1，步進電機再次轉(zhuǎn)過一個步距角，C相繞組通電，C相狀態(tài)為1，A、B相狀態(tài)為0。當?shù)诹鶄�脈沖到達時，M0.5位為1，A相和C相繞組同時通電，A相、C相狀態(tài)為1，B相狀態(tài)為0。至此步進電機完成一個周期的運轉(zhuǎn)，當下一個脈沖達到時，步進電機重復上述的過程。反向運動時各相繞組的狀態(tài)可進行類似的分析。

    步進電動機控制系統(tǒng)的PLC程序的梯形圖以及語句表如圖7-36所示。

    圖7-36    步進電動機控制系統(tǒng)的PLC程序梯形圖及語句表