基于PLC和触摸屏的步进电机控制系统的设计

介绍了步进电机的工作原理及特性, 重点阐述了步进电机的PLC 控制系统的原理, 并对基于位控模块EM253 和触摸屏的步进电机控制系统的设计方法作了详细的论述

基于PLC和触摸屏的步进电机控制系统的设计

江华生,欧阳玉霞,曾延波

(嘉兴学院生物与化学工程学院,浙江嘉兴314001)

DesignoftheControlSystemofStepMotorBasedonPLCandTouchScreen

JIANGHua sheng,OUYANGYu xia,ZENGYan bo

(SchoolofBiologicalandChemicalEngineering,JiaxingCollege,Jiaxing314001,China)

摘要:介绍了步进电机的工作原理及特性,重点阐述了步进电机的PLC控制系统的原理,并对基于

位控模块EM253和触摸屏的步进电机控制系统的设计方法作了详细的论述.

关键词:步进电机;PLC;EM253;触摸屏中图分类号:TP273文献标识码:A

文章编号:1001 2257(2008)10 0075 03Abstract:Thepaperpresentstheworkingprinciplesandbasiccharacteristicsofstepmotor,mainlydescribestheprinciplesofthesystemofstepmotorcontrolledbyPLC,andintroducesthedesignmethodofthecontrolsystemofstepmotorbasedonEM253andtouchscreenindetail.Keywords:stepmotor;PLC;EM253;touchscreen

将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的执行机构.由于受脉冲的控制,其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比,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;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;通过改变通电顺序,从而达到改变电机旋转方向的目的.

步进电机的种类很多,按结构可以分为反应式、永磁式及混合式步进电机3类,按相数分则可以分为单相、两相和多相3种.

步进电机的特点[1]:

a.步进电机角位移与输入脉冲数严格成正比,电机运转一周后没有累积误差,具有良好跟随性.b.由步进电机与驱动器电路组成的开环数字控制系统,既非常简单、廉价,又非常可靠.同时,它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统.

c.步进电机的动态响应快,易于启停、正反转及变速.

d.速度可在相当宽的范围内平滑调节,低速下仍能保证获得大转矩.

e.步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行,它不能直接使用交流电源和直流电源.

f.步进电机存在振荡和失步现象,必须对控制系统和机械负载采取相应的措施.

g.步进电机自身的噪声和振动较大,带惯性负载的能力较差.

1.2 系统控制原理

由于步进电机具有无累积误差、跟踪性能好的优点,步进电机的控制多以组成开环控制系统居多.一种基于PLC和触摸屏的步进电机控制方案其系统结构如图1所示.

系统硬件部分由控制器PLC、人机界面触摸

0 引言

PLC作为一种工业控制计算机,对步进电机具有良好的控制能力.传统的工业控制系统一般使用各种按钮、指示灯来控制、监视操作系统,但单纯的PLC控制系统不宜实现现场监控以及工艺参数的

现场设置和修改.若采用上位监控计算机与PLC通信的方式进行监控,则成本较高,人机界面由于具有操作简便、界面美观、节省控制面板空间、性价比高和人机交互性好等优点,得到了广泛的应用.

1 系统原理

1.1 步进电机原理及特点

步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制,并

收稿日期:2008 05 21

介绍了步进电机的工作原理及特性, 重点阐述了步进电机的PLC 控制系统的原理, 并对基于位控模块EM253 和触摸屏的步进电机控制系统的设计方法作了详细的论述

屏、驱动器和被控对象步进电机等组成.控制器PLC是步进电机的上位控制单元,PLC输入到驱动器的信号有2类,一类是脉冲信号,它控制步进电机的速度和位置;一类是控制信号,如方向、脱机信号,分别决定步进电机的运行方向和启停.触摸屏负责人机交互界面管理和控制系统实时监控,它通过串口与PLC通信,可通过触摸按键方式实现对步进电机的启停、调速、转向等控制,在触摸屏上动态显示步进电机运行位置、速度等参数.

量输入点、1个模拟量输出点;扩展1个位控模块

EM253,24VDC电源,并通过扩展电缆与CPU224XP相连.

触摸屏是一种适用于工控的人机界面.系统采用台湾WEINVIEW公司生产的MT508TE彩色触摸屏,它为专门面向PLC控制应用而设计,可以与德国西门子S7 200系列的PLC连接.该触摸屏功能强大,使用方便;具有一个RS232串口,一个RS232/RS485串口和一个标准的并行通讯口.PLC通过串口总线与触摸屏连接.

2.2 EM253位控模块

EM253位控模块是S7 200系列PLC的扩展

图1 步进控制系统组成

功能模块,属于漏型晶体管输出,脉冲频率高达200kHz,它能够产生脉冲串用于步进电机和伺服电机的速度和位置的开环控制.EM253与S7 200系列PLC通过扩展的I/O总线通讯,带有9个数字输入/输出点,如表1所示.

表1 位控模块EM253I/O功能表

序号输入/输出123456789

输入输入输入输入输入输出输出输出输出

符号STPRPSZPLIM-LIM+P0(P0+、P0-)P1(P1+、P1-)

DIS

CLR

功能说明

停止脉冲生成参考点开关输入零脉冲输入负限位开关输入正限位开关输入脉冲输出

脉冲输出或正向运动控制禁止/使能输出清除脉冲计数器

[3]

对于一个实际的控制系统,要根据负载的大小来选择步进电机.步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为 启动频率",与此类似, 停止频率"是指系统控制信号突然关断,步进电机不冲过目标位置的最高步进频率.电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应.有了这些数据,就能有效地对步进电机进行变速控制.

在对PLC选型前,应根据下式计算系统的脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量[2].

步进电机步距角!螺距

360!传动速比

移动速度!步进电机细分数

脉冲频率上限=

脉冲当量

移动距离!步进电机细分数

最大脉冲数量=

脉冲当量脉冲当量=

根据脉冲频率可以确定PLC高速脉冲输出时需要的频率,根据脉冲数量可以确定PLC的位宽.同时,考虑到系统响应的及时性、可靠性和使用寿命,PLC应选择晶体管输出型.

3 软件设计

3.1 PLC软件

西门子STEP7 Micro/WIN32是一种基于Windows操作系统环境下的编程软件,它支持梯形图、语句表、功能块图等3种编程语言.为方便用户编程更加方便快捷,软件提供了状态图表用于监视、调试程序及在线编辑程序等功能.对于位控模块EM253的编程,STEP7 Micro/WIN32V4.0提供一个位控向导,可生成组态/包络表和位控指令,很方便地组态位控模块.作为智能单元,位控向导能够自动读取到该模块的配置位置.通过EM253控制面板,可以方便地测试、操作和监视位控模块的工作状态,验证控制系统接线是否正确,调整配置运动控制参数,测试每一个预定义的运动轨迹包络.

要进行速度和位置控制,必须对EM253进行

2 硬件设计

2.1 硬件配置

被控制的步进电机型号是86BYG250BN,步距角为1.8 ,具有定位准确,转速范围大,分辨率高,低速运行平稳,功耗低等优点.与该电机相匹配的驱动器是SH 20806N DA.

PLC是整个控制系统的核心.系统选用西门子S7 200系列的CPU224XP,直流24V供电,直流数字量输入,晶体管直流电路输出类型.该PLC具有14个数字量输入点、10个数字量输出点、2个模拟

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