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(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種用電脈沖進(jìn)行控制、將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)角位移或線位移的開環(huán)控制元件。正常情況下，電動(dòng)機(jī)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(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號時(shí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)按照設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，即步距角。電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度逐步進(jìn)行的，通過控制脈沖數(shù)量來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

    就一個(gè)傳動(dòng)速比確定的具體設(shè)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(shè)備移動(dòng)部件的移動(dòng)距離和速度，而方向信號可控制移動(dòng)的方向。另外，步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)細(xì)分運(yùn)轉(zhuǎn)方式。因此，盡管步進(jìn)電機(jī)的步距角受機(jī)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(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)由原來的每個(gè)整步細(xì)分成多個(gè)小步來完成，提高了設(shè)備運(yùn)行的精度和平穩(wěn)性。

    對于那些在運(yùn)行過程中移動(dòng)距離和速度均確定的具體設(shè)備，采用PLC通過驅(qū)動(dòng)器來控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是一種理想的技術(shù)方案。本節(jié)以三相六拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制為例，簡要介紹S7 -200系列PLC在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用。

    一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

    三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖7-32所示，當(dāng)A相繞組通直流電流時(shí)，根據(jù)電磁學(xué)原理，便會(huì)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(shí)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(shí)針轉(zhuǎn)過60°。通常，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的通斷電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子便不停地順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。若通電順序改為A→C→B→A…，同理，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。

    圖7-32    三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖

    若以三相六拍通電方式工作，當(dāng)A相通電轉(zhuǎn)為A相和B相同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的磁極將同時(shí)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(shí)步距角α等于30°。當(dāng)由A和B兩相同時(shí)通電轉(zhuǎn)為B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極再沿順時(shí)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(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。對三相六拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制，主要有兩個(gè)方面，三相繞組的接通與斷開順序以及對步進(jìn)速度的控制，其控制要求如下：

    (1)按下正向啟動(dòng)按鈕，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按A→AB→B→BC→C→CA→A的時(shí)序正向轉(zhuǎn)動(dòng)。

    (2)按下反向啟動(dòng)按鈕，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按A→AC→C→CB→B→BA→A的時(shí)序反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

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

    (4)步進(jìn)速度慢速為0.5s，快速為0.05s，并可隨時(shí)手動(dòng)變速。

    (5)每次啟動(dòng)均從A相啟動(dòng)。

    二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    1．輸入/輸出信號分析

    步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)PLC控制系統(tǒng)的輸入信號有：電動(dòng)機(jī)正向、反向和停止按鈕各1個(gè)，控制其運(yùn)行速度的按鈕1個(gè)，共有4路輸入信號，需4個(gè)輸入端子。

    圖7-33    步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成示意圖

    輸出信號：控制電動(dòng)機(jī)三相繞組旋轉(zhuǎn)的3路信號，需3個(gè)輸出端子。

    2．PLC的輸入/輸出分配表

    根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理以及相應(yīng)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(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中有4個(gè)數(shù)字輸入量和3個(gè)數(shù)字輸出量，可設(shè)計(jì)如表7-5所示的三相六拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)PLC控制的輸入輸出分配表。

    表7-5    相六拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(biāo)，本實(shí)例可以選用西門子公司S7-200系列PLC中的CPU221作為控制主機(jī)。

    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(jī)的硬件接線圖。

    三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

    圖7-34    步進(jìn)電動(dòng)機(jī)PLC主機(jī)的硬件接線圖

    圖7-35    步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的流程圖

    在本例中，采用移位指令進(jìn)行步進(jìn)控制。首先指定移位寄存器MB0，按照三相六拍的步進(jìn)順序，移位寄存器每左移一位，電動(dòng)機(jī)前進(jìn)一個(gè)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(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)行解釋。初始狀態(tài)時(shí)，移位寄存器位M0.0～M0.5均為0，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相繞組狀態(tài)均為0。當(dāng)?shù)谝粋�(gè)脈沖到達(dá)后，M0.0位為1，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(dāng)?shù)诙�個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，M0.1位為1，A相通電轉(zhuǎn)為A相和B相同時(shí)通電，轉(zhuǎn)子的磁極停在A和B兩相磁極之間，所以此時(shí)A相和B相繞組狀態(tài)均為1，C相繞組狀態(tài)仍為0。當(dāng)?shù)谌齻�(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，M0.2位為1，步進(jìn)電機(jī)再次轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，此時(shí)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(dāng)?shù)谒膫�(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，M0.3位為1，步進(jìn)電機(jī)再次轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，此時(shí)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(dāng)?shù)?個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，M0.4位為1，步進(jìn)電機(jī)再次轉(zhuǎn)過一個(gè)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(dāng)?shù)诹鶄�(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，M0.5位為1，A相和C相繞組同時(shí)通電，A相、C相狀態(tài)為1，B相狀態(tài)為0。至此步進(jìn)電機(jī)完成一個(gè)周期的運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)下一個(gè)脈沖達(dá)到時(shí)，步進(jìn)電機(jī)重復(fù)上述的過程。反向運(yùn)動(dòng)時(shí)各相繞組的狀態(tài)可進(jìn)行類似的分析。

    步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的PLC程序梯形圖及語句表