【原】西门子 PLC 单轴步进电机控制全攻略

PLC发烧友 2025-02-25 发布于广东

展开全文

在现代工业自动化领域中，西门子 PLC 控制步进电机具有至关重要的地位。它广泛应用于各种生产场景，如机械加工、自动化生产线等。通过精确控制步进电机，可以实现高精度的位置定位和速度调节，满足不同生产工艺的需求。

一、控制原理

1. 脉冲控制方式由 PLC 输出的脉冲数量控制旋转角度，脉冲频率控制电机速度。

▶步进电机常被用于定位控制，西门子 PLC 可以通过输出特定数量的脉冲来精确控制步进电机的旋转角度。例如，在未设定细分的情况下，若步距角为 1.8°，控制步进电机转动一圈（360°），则 PLC 需要发出 200 个脉冲。这是因为 360°/X = 1.8°/1，解得 X = 200。

▶同时，PLC 输出脉冲的频率能够控制步进电机的旋转速度。比如，脉冲频率越高，电机的转速就越快。以伺服电机为例，PLC 控制伺服电机也是通过脉冲频率和数量来实现对其速度和位置的精确控制。约定伺服电机每 10000 个脉冲转一圈，如果 PLC 在一分钟内发送 10000 个脉冲，那么伺服电机就以 1r/min 的速度走完一圈；如果在一秒钟内发送 10000 个脉冲，那么伺服电机就以 60r/min 的速度走完一圈。

2. 细分功能减小步距角，使电机转动更平稳，减少控制误差。

▶在实际应用中发现，较大的步距角会导致每次电机转动的角度较大，容易引起振动，相应的控制误差也会变大。因此，引入了细分功能。细分是指通过驱动器的 DIP 开关将步距角分成更小的微步进角，从而提高电机的分辨率和运动平滑性。例如，步距角为 1.8°，设定 10 细分后，PLC 每发出一个脉冲，电机只转动 0.18°，此时步进电机转动一圈（360°），需要 PLC 发出 2000 个脉冲，计算过程为 360°/X = 0.18°/1，解得 X = 2000。

▶细分功能具有多方面的优势。首先，它可以提高电机的分辨率，对于需要高精度位置控制的应用非常重要，如印刷机械、医疗设备等。其次，细分技术可以减小电机运动时的振动和噪音，特别是在低速运动时，使得步进电机在对噪音和振动敏感的应用中更具优势，例如相机云台、医疗影像设备等。此外，细分还能提高电机的动态响应能力，使其更适用于需要快速变化的应用，如激光打印机、数控机床等。同时，细分技术还有助于消除共振现象，提高系统的稳定性和可靠性。

▶然而，细分功能也存在一些劣势。实施细分技术需要更复杂的控制系统和更高性能的微步进驱动器，这可能导致系统成本的增加。在一些低负载、低速度的应用中，细分可能会导致电机效率的降低，因为在微步进运动时电机可能会消耗更多的能量。高细分率还可能导致电机在运行时产生更多的热量，需要额外的散热措施，增加了系统的设计难度。

综上所述，在选择是否使用细分技术时，需要综合考虑应用的具体要求，包括精度、速度、负载和成本等因素，以找到最适合的解决方案。

二、硬件连接

1. 步进驱动器与 PLC 的连接

▶信号电压和电阻的匹配

在西门子 PLC 控制步进电机的系统中，需要注意信号电压和电阻的匹配问题。如果 PLC 的信号电压过高，需要加接电阻。现在绝大多数驱动器的电压可以兼容 3.3 - 28V 的信号电压，有的情况下可以不必加电阻，但为了保险起见，还是要先确认一下驱动器的技术资料。例如，当步进电机的信号电压是 5V，而西门子 PLC 使用的电压为 24V 时，要接入驱动器，需要串接 1.2K，1/4W 的电阻。

▶高速脉冲输出指令的选择

西门子 PLC（CPU222）能输出高速脉冲有两种：PTO（占空比 50%）和 PWM（占空比可更改）。利用这两种高速脉冲输出指令可以控制步进驱动器，进而控制步进电机。

2. 步进电机与驱动器的连接

电机绕组接线方式

步进电机的方向控制一般有两种：

▶脉冲 + 方向：PUL 有脉冲产生时，电机就会转动，方向由 DIR 来决定。

▶正向脉冲 + 反向脉冲：当 PUL 有脉冲产生时，正转；当 DIR 有脉冲产生时，反转。但 PUL 与 DIR 不能同时有脉冲产生。当 A、B 两相绕组调换时，可使电机反向。

三、软件编程

初始化程序复位相关 M 点。调用初始化指令 CTRL。

在软件编程中，首先进行初始化程序。这一步主要是复位相关的 M 点，为后续的程序运行做好准备。然后调用初始化指令 CTRL，该指令的 EN 端和 MOD一端都使用 SM0.0 使能。同时，为完成位以及错误代码等分配对应的地址，需要注意这些地址不能与运动向导组态里面分配的地址相同或重复，这里从 VB100 开始分配，确保不重复。初始化完成后，为后续的操作奠定了基础。

回原点程序上升沿触发回原点指令 RSEEK。回原点完成标志位的处理。

接着进行回原点程序。通过上升沿触发回原点指令 RSEEK，当使能条件满足后，START产生一个上升沿，开始进行回原点操作。回原点完成后，V100.2 为 1，表示回原点完成，此时可以将回原点的标志复位掉，以便下次回原点时能够再次使用。

正反转运行程序改变 GOTO 指令的参数实现正反转。停止按钮的处理。

在正反转运行程序中，通过改变 GOTO 指令的参数来实现正反转。当启动信号产生且没有停止信号时，上升沿满足后，使能 M1.0 来定位轴指令，同时激活定位指令，即接通 GOTO 指令上面的 START管脚。然后给 VD200 和 VD204 赋值移动的位置和速度。如果 V100.1（初始化指令上面的当前位置）等于 0，表示正方向移动，此时赋的位置是 80.0，速度为 8.0；如果等于 1，则不能赋值。赋值完成后调用 GOTO 指令，将移动的位置、速度填上去，模式选择 0（绝对定位），About 管脚选择停止信号，后面的Done、Error 和当前位置、当前速度分配对应地址。当到达 80mm 的位置后，使能指令 M1.0 为 ON，同时 V100.3 为 ON，此时 VD130 的值等于 80.0。使能条件满足，定位完成后，将这条指令复位掉，同时改变位置，把 0 给到当前的位置，速度变为 10.0。如果按下停止按钮，轴停止运行，将 M1.0 和 M1.1 全部复位。当再次按下启动按钮时，如果是反方向按下的停止按钮，V100.1 等于 1，此时条件打开，无法重新赋值，运行原来反方向的数据；如果是正方向，重新赋值后激活运行。