EM253 位控模塊在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用

徐鹿眉

(黑龍江工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150050)

0 PLC 控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)概述

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制方法簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)速與高速脈沖頻率成正比，角位移與脈沖個(gè)數(shù)相對(duì)應(yīng)。西門子S7 －200PLC 晶體管輸出型具有2 個(gè)高速脈沖輸出端子，分別是Q0．0 和Q0．1，可輸出高速脈沖對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。S7－200PLC 輸出高速脈沖和高低電平2 組信號(hào)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專用驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)。S7－200PLC 主機(jī)CPU224 可輸出20 kHz 的高速脈沖，主機(jī)CPU224XP 可輸出200 kHz 的高速脈沖，可滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速要求［1］。

在車床改造過(guò)程中，利用PLC 控制2 臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床橫縱工作臺(tái)的進(jìn)給。但是S7－200PLC主機(jī)僅能對(duì)2 臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)超過(guò)2 臺(tái)時(shí)，像銑床工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)時(shí)就需要3臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，PLC 沒(méi)有足夠的高速脈沖輸出端子供電機(jī)調(diào)速。這樣必須尋找一種易于PLC 控制的可輸出高速脈信號(hào)的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。位控模塊EM253 可以滿足這項(xiàng)功能要求。

1 EM253 位控模塊

EM253 位控模塊作為S7－200PLC 的特殊功能模塊，能夠輸出高速脈沖串，輸出的高速脈沖串從每秒12 個(gè)到200 000 個(gè)脈沖;支持急停功能，具有線性加速和減速功能;廣泛應(yīng)用于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)的速度或位置控制。基于上述優(yōu)點(diǎn)，選用EM253 進(jìn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制不單純是為了增加一個(gè)高速脈沖輸出口，在控制系統(tǒng)要求高的系統(tǒng)中EM253 能夠勝任更高的控制要求。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文以銑床三軸工作臺(tái)為例介紹EM253 在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用。

2.1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

銑床三軸工作臺(tái)控制系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示，CPU224 發(fā)出2 路高速脈沖信號(hào)，Q0．0 和Q0．1 分別控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器SH－22206A，進(jìn)而分別對(duì)X軸和Y 軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。Q0．2 和Q0．3 為高低電平信號(hào)，用來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向。Z 軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制通過(guò)EM253 位控模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。 EM253 與 CPU224通過(guò)專用扁平擴(kuò)展電纜連接，CPU224 的轉(zhuǎn)速和方向等控制信號(hào)均通過(guò)專用扁平擴(kuò)展電纜傳送給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

圖1 控制系統(tǒng)總體框圖

2.2 PLC 控制路設(shè)計(jì)

PLC 主機(jī)CPU224 硬件接線圖如圖2 所示。按鈕SF 用來(lái)控制電機(jī)的起動(dòng)、停車和換相等。主機(jī)電源和輸入電源接+ 24 V(DC)，輸出電源接+ 5 V(DC)。Q0. 0、Q0．1、Q0．2 和Q0．3 輸出接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)M1 和M2 的驅(qū)動(dòng)器。如果應(yīng)用光電碼盤進(jìn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和角位移測(cè)量，根據(jù)PLC 高速脈沖輸入工作模式選擇固定的輸入點(diǎn)進(jìn)行接線，把控制按鈕的位置和相應(yīng)地址分配變化即可。

圖2 CPU224 接線圖

2.3 EM253 接線圖設(shè)計(jì)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由EM253 位控模塊控制的。EM253 端口P0、P1 發(fā)出控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)方向、速度的脈沖，連接到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)后可實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向和速度。EM253 接線圖如圖3 所示，P0 + 和P0－分別接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的CP + 和CP －，P1 + 和P1－分別接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的DIR+ 和DIR －。 SH －22206A 沒(méi)有使能端子，驅(qū)動(dòng)器如有使能端子，則DIS 與其相連。

圖3 EM253 接線圖

2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是和利時(shí)公司的110BYG250C－SAHRHA－0402 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，此電機(jī)是兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。它具有體積小、轉(zhuǎn)矩高、振動(dòng)低等優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)電壓為220 V(AC)，相電流為4 /6A［2］。與其配套的驅(qū)動(dòng)器選擇該公司的森創(chuàng)SH－22206A，工作電壓為80～220 V(AC)，輸出電流4 /6 A，最大細(xì)分為32 細(xì)分。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器SH－22206A 與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接線圖如圖4 所示。CP + 和CP －接EM253 速度控制信號(hào)，DIR + 和DIR－接EM253 方向控制信號(hào)。

圖4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路圖

3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程

PLC 高速脈沖輸出指令具有兩種控制方式:等脈寬高速脈沖串輸出(PTO)和脈寬可調(diào)脈沖輸出(PWM)。PLC 直接控制2 臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速應(yīng)用PTO 輸出。程序設(shè)置的特殊儲(chǔ)存器位，激活由控制位定義的脈沖操作，從Q0．0 或Q0．1 輸出高速脈沖，高速脈沖串輸出PTO都由PLS 命令激活輸出。每個(gè)PTO 發(fā)生器對(duì)應(yīng)專門的特殊寄存器，PTO 特殊寄存器有三種，即控制字節(jié)寄存器、狀態(tài)字節(jié)寄存器和參數(shù)數(shù)值寄存器。PTO 特殊寄存器可用來(lái)控制PTO 的輸出形式，并且能夠反映輸出狀態(tài)和參數(shù)值的變化情況，其變化情況對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)下一步操作有指導(dǎo)意義。

位控模塊程序編寫使用STEP 7－Micro /WIN位控模塊向?qū)?，通過(guò)位控模塊向?qū)瓿蓪?duì)EM253 的設(shè)置，生成位控模塊所使用的所有相關(guān)組態(tài)和移動(dòng)包絡(luò)表信息。這些信息和程序塊被一同下載到S7－200PLC 的存儲(chǔ)器中，位控模塊所需要的全部信息都存儲(chǔ)在PLC 中，這樣當(dāng)位控模塊更換時(shí)不必再重新進(jìn)行編程或組態(tài)，使操作更加簡(jiǎn)單、方便。

STEP 7－Micro /WIN 為位控模塊的組態(tài)和編程提供便捷的工具，遵循以下步驟:［3］

(1)位控模塊組態(tài)

STEP 7－Micro /WIN 軟件提供專門的EM253位控向?qū)?，操作方法?jiǎn)單、易懂，根據(jù)向?qū)нM(jìn)行操作生成組態(tài)/移動(dòng)包絡(luò)表和位控指令。

(2)位控模塊測(cè)試操作

利用STEP 7－Micro /WIN 軟件提供的EM253位控模塊控制面板，可以對(duì)位控模塊的輸入輸出接線組態(tài)和移動(dòng)路徑的執(zhí)行情況進(jìn)行測(cè)試。

(3)S7－200 的執(zhí)行程序創(chuàng)建

位控向?qū)ё詣?dòng)生成位控指令，可以將這些指令插入控制程序中，以下指令插入程序當(dāng)中。指令及功能如表1 所示。用SM0．0 始終接通以確保POSx_CTRL 指令在每一個(gè)循環(huán)周期中都得到執(zhí)行。

表1 位控模塊指令及功能

(4)編譯程序并將系統(tǒng)塊、數(shù)據(jù)塊和程序塊下載到S7200

位控模塊向?qū)гO(shè)置先要選擇CPU 類型，再選擇脈沖數(shù)值、脈沖時(shí)間等。再在梯形圖中加入EM253子程序模塊POSO_CTRL，允許程序啟動(dòng)EM253 命令的其他子程序。

位控模塊配置向?qū)傻腟7－200 定位控制指令POSx_CTRL 梯形圖程序部分程序段如圖5 所示。

圖5 POSx_CTRL 程序

4 結(jié) 語(yǔ)

銑床三軸工作臺(tái)在實(shí)際銑床改造中得到應(yīng)用，改造過(guò)程簡(jiǎn)單，可提高銑床的自動(dòng)化程度。本文以銑床三軸工作臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)為例介紹了EM253 位控模塊的應(yīng)用方法，給出了相關(guān)的電路圖和程序。EM253 位控模塊作為專門的位置控制模塊，在PLC 缺少高速脈沖輸出端子時(shí)應(yīng)用非常關(guān)鍵，其更適用于控制要求高的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，另外也可應(yīng)用于交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)。

［1］ 西門子(中國(guó))有限公司．SIMATIC S7－200 可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)［M］．北京:西門子(中國(guó))有限公司，2008．

［2］ 和利時(shí)公司．森創(chuàng)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器SH －22206A 操作手冊(cè)［M］．北京:和利時(shí)公司，2010．

［3］ 西門子(中國(guó))有限公司．EM253 位控模塊操作手冊(cè)［M］．北京:西門子(中國(guó))有限公司，2005．