基于PLC控制的步進(jìn)電機(jī)在三軸雕刻機(jī)上的應(yīng)用

蔡?hào)|松， 董增勇

（杭州技師學(xué)院機(jī)電系，浙江 杭州 311500）

基于PLC控制的步進(jìn)電機(jī)在三軸雕刻機(jī)上的應(yīng)用

蔡?hào)|松， 董增勇

（杭州技師學(xué)院機(jī)電系，浙江 杭州 311500）

主要介紹了利用CPU ST40實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)精確的位置控制，從而實(shí)現(xiàn)三軸雕刻機(jī)的工作要求。雕刻機(jī)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)部分本文將不做介紹。

PLC; S7-200 SMART；步進(jìn)電機(jī)；三軸雕刻機(jī)

1 前言

在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多領(lǐng)域中，智能控制越來(lái)越多地出現(xiàn)在人們的生活中，不僅可以節(jié)約資源，還可以釋放很多的勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)效率。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品越來(lái)越多地出現(xiàn)在人們的生活中。PLC 由最簡(jiǎn)單的邏輯量控制功能逐步發(fā)展成為通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的能力。PLC本身具有高抗干擾性能，功能穩(wěn)定，便于工程師開(kāi)發(fā)等諸多優(yōu)點(diǎn)，倍受越來(lái)越多的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程師的青睞。三軸雕刻機(jī)的出現(xiàn)，可以根據(jù)人們的愛(ài)好，雕刻出自己想要的小物件，提高了人們的精神生活質(zhì)量。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)動(dòng)作要求

三軸雕刻機(jī)主要實(shí)現(xiàn)了三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)控制，可以模擬數(shù)控車(chē)床和銑床的加工過(guò)程，其三個(gè)自由度的十字滑臺(tái)如圖1 所示，主要控制使工作臺(tái)在X、Z軸二個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的二個(gè)滾珠絲杠，并控制使刀具在垂直方向（即X軸）上下運(yùn)動(dòng)的滾珠絲杠。

圖1 三自由度十字滑臺(tái)

2.2 系統(tǒng)組成

（1）工作臺(tái)。工作臺(tái)的主要功能是用來(lái)固定工件或夾具等，工作臺(tái)面上的T形凹槽便于工件的安裝及拆卸。

（2）滾珠絲杠。滾珠絲杠是運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)絲杠的正反轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)裝在直線導(dǎo)軌上的螺母左右運(yùn)動(dòng)，在左右各端都有限位開(kāi)關(guān)，通過(guò)左右開(kāi)關(guān)的觸發(fā)來(lái)判斷是否運(yùn)動(dòng)到了行動(dòng)的極限位置。該機(jī)構(gòu)具有活動(dòng)靈活、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，精度高，摩擦系數(shù)小，如圖2。

（3）雕刻刀具。

圖2 滾珠絲杠

2.3 系統(tǒng)工作原理

三軸雕刻機(jī)主要通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)輔助完成一個(gè)工件的制作過(guò)程。將需要加工的工件的文件通過(guò)三軸雕刻機(jī)上位機(jī)控制軟件打開(kāi)，上位機(jī)軟件通過(guò)算法的計(jì)算，得到該工件每次的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)串口傳送給雕刻機(jī)的下位機(jī)PLC中，PLC通過(guò)控制X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的雕刻。X軸、Y軸、Z軸的相互運(yùn)動(dòng)配合實(shí)現(xiàn)雕刻功能。

2.4 系統(tǒng)的硬件組成

系統(tǒng)的硬件組成如圖3 所示。使用s7-200 SMAR CPU ST40作為控制核心，CPU發(fā)送固定的脈沖個(gè)數(shù)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行每一步的運(yùn)行距離，在系統(tǒng)上電初始時(shí)系統(tǒng)會(huì)通過(guò)CPU控制和機(jī)械原點(diǎn)的限位開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械零點(diǎn)的初始動(dòng)作，這樣可以完成系統(tǒng)的初始化工作。

2.5 系統(tǒng)硬件選擇

圖3 系統(tǒng)的組成

2.5.1 PLC

PLC是現(xiàn)代新型的工業(yè)控制裝置，具有通用性強(qiáng)、使用方便、應(yīng)用面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，其內(nèi)部控制主要專(zhuān)注于邏輯關(guān)系，是一種繼電器邏輯，相對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)具有通用性和適應(yīng)性強(qiáng)、完善的故障自檢測(cè)能力而且維修方便、高可靠性與柔韌性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且小型的PLC價(jià)格比較便宜。在電磁兼容方面，PLC完全勝于單片機(jī)，單片機(jī)需要外圍設(shè)計(jì)很多電路來(lái)解決電磁兼容問(wèn)題，而PLC內(nèi)部已經(jīng)完全解決了這個(gè)問(wèn)題，用戶不需要考慮電磁兼容問(wèn)題，這樣在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)節(jié)約很多時(shí)間和相應(yīng)的成本，而且PLC對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)門(mén)檻比較低，對(duì)于硬件、系統(tǒng)定義之類(lèi)的繁瑣的處理，PLC內(nèi)部已經(jīng)完成，而使用者只要專(zhuān)注于邏輯控制的編寫(xiě)即可。

ST40是標(biāo)準(zhǔn)晶體管輸出類(lèi)型，具有高速處理器芯片，基本指令執(zhí)行時(shí)間可達(dá)0.15 μs ，系統(tǒng)集成了三軸 100 kHz 高速脈沖輸出，完美實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確定位控制。S7-200 SMART CPU模塊均集成 1 個(gè)RS485 接口，可以與變頻器、觸摸屏、PC機(jī)等第三方設(shè)備通信。信號(hào)板支持RS232/RS485 自由轉(zhuǎn)換，最多支持 4 個(gè)設(shè)備。CPU ST40具有12點(diǎn)輸出和18點(diǎn)輸入，I/O口數(shù)量完全滿足系統(tǒng)的應(yīng)用。

2.5.2 步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)主要是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或者線位移的開(kāi)環(huán)控制執(zhí)行部件，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止位置主要取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖個(gè)數(shù)，而不會(huì)受到負(fù)載變化的影響。步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)固定的角度，同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）步距值不受各種干擾因素的影響。（2）誤差不長(zhǎng)期積累。（3）控制性能好，啟動(dòng)、停車(chē)、反轉(zhuǎn)都是在少數(shù)脈沖內(nèi)完成的。然而步進(jìn)電機(jī)也有以下缺點(diǎn)：（1）輸出力矩隨著轉(zhuǎn)速上升而下降。（2）啟動(dòng)頻率過(guò)高或者負(fù)載過(guò)大容易出現(xiàn)丟步或者堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。通過(guò)以上優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)相對(duì)于直流電機(jī)和交流伺服控制來(lái)說(shuō)是相當(dāng)?shù)姆奖愫蜏?zhǔn)確，而且成本上也節(jié)約很多。綜合考慮此系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)是最優(yōu)的選擇。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇的是YKA2608MG，具有高性能、低價(jià)格、低噪音、平衡性極好等特點(diǎn)，且具有200細(xì)分。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器示意圖如圖4 。

圖4 驅(qū)動(dòng)器示意圖

2.5.3 限位開(kāi)關(guān)

接近開(kāi)關(guān)是一種無(wú)需與運(yùn)動(dòng)部件直接接觸就可以操作的位置開(kāi)關(guān)。當(dāng)物體接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)面到動(dòng)作距離時(shí)，不需要機(jī)械接觸及施加任何壓力即可使開(kāi)關(guān)動(dòng)作，直接給計(jì)算機(jī)（PLC）裝置提供控制指令。接近開(kāi)關(guān)是一種開(kāi)關(guān)型傳感器(即無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān))，它既有行程開(kāi)關(guān)、微動(dòng)開(kāi)關(guān)的特性，同時(shí)具有傳感性能強(qiáng)、動(dòng)作可靠、性能穩(wěn)定、頻率響應(yīng)快、應(yīng)用壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并具有防水、防振、耐腐蝕等特點(diǎn)。產(chǎn)品有電感式、電容式、霍爾式、交、直流型等類(lèi)型。本系統(tǒng)選擇的是一款微小的電容式NPN型的接近開(kāi)關(guān)，作為限位開(kāi)關(guān)使用。

2.6 系統(tǒng)的硬件連接

2.6.1 驅(qū)動(dòng)器信號(hào)端口連接

因?yàn)镃PU ST40 IO端口輸出高電平24V為有效電平，所以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用共陰的接法控制，因?yàn)樵撓到y(tǒng)采用人為的機(jī)械原點(diǎn)歸零，所以驅(qū)動(dòng)器的原點(diǎn)輸出信號(hào)沒(méi)有用到。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部信號(hào)端口示意圖如圖5。

圖5 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部信號(hào)端口

因?yàn)轵?qū)動(dòng)器內(nèi)部光耦工作在10mA電流的工作狀態(tài)，且內(nèi)部已經(jīng)安裝了限流電阻，但是由于PLC端口輸出24V電壓500mA的IO信號(hào)，需要外部接限流電阻來(lái)保證驅(qū)動(dòng)器正常工作，所以采用共陰的方法與PLC連接。經(jīng)過(guò)計(jì)算外部限流電阻應(yīng)該接2.2kΩ的電阻，共陰接法如圖6 。

圖6 驅(qū)動(dòng)器共陰接法

2.6.2 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器連接

步進(jìn)電機(jī)有四個(gè)接線，份紅、藍(lán)、黑、綠四個(gè)顏色，其與驅(qū)動(dòng)器的接線方式如圖8 。

圖8 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接線

2.6.3 系統(tǒng)整體原理圖

下面主要介紹系統(tǒng)的整體電氣原理圖，如圖8。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

S7-200smart程序的編寫(xiě)主要使用的是西門(mén)子公司特定的編程軟件——STEP 7-MicroWIN SMART，這款軟件是針對(duì)smart cpu進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)和編寫(xiě)的，下面簡(jiǎn)要說(shuō)明一下整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程，上電系統(tǒng)進(jìn)行歸零操作，每個(gè)步進(jìn)電機(jī)回歸到自己的機(jī)械零點(diǎn)，然后根據(jù)上位機(jī)的圖形執(zhí)行動(dòng)作。

3.1 限位開(kāi)關(guān)程序

通過(guò)限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作、PLC的輸入觸點(diǎn)動(dòng)作，根據(jù)不同的端口就可以知道相應(yīng)軸的電機(jī)是否回到了機(jī)械原點(diǎn)，讀取限位開(kāi)關(guān)程序如圖9。

3.2 步進(jìn)電機(jī)控制程序

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)只要脈沖端口接收到脈沖并給定了方向信號(hào)就會(huì)運(yùn)動(dòng)到指定的位置，因?yàn)镃PU ST40內(nèi)部集成了三軸精確運(yùn)動(dòng)的脈沖發(fā)生器。

圖8 系統(tǒng)電氣連接圖

圖9 讀取限位開(kāi)關(guān)程序

3.2.1 X軸的控制程序

下面介紹X軸的控制程序，如圖10 。

設(shè)定相應(yīng)的單相控制方式，就是方向信號(hào)為高低電平的控制方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)功能，如圖11 。

設(shè)定電機(jī)的啟動(dòng)和停止速度，這里使用的是默認(rèn)值。設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的加減速和勻速運(yùn)動(dòng)的脈沖數(shù)據(jù)，防止負(fù)載過(guò)大造成丟步或者堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確，如圖12 。

通過(guò)編程軟件的運(yùn)動(dòng)控制向?qū)?，設(shè)定了X軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，如圖13 。

AXISO_GOTO語(yǔ)句模塊：控制著電機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式。

EN使能位：確保EN位保持開(kāi)啟，知道DONE位動(dòng)作，說(shuō)明此次運(yùn)動(dòng)執(zhí)行完成。

START位：動(dòng)作表示執(zhí)行該語(yǔ)句模塊。

Pos位：表示要移動(dòng)的位置，是相對(duì)初始位置的絕對(duì)位置，就是要運(yùn)行的脈沖個(gè)數(shù)，VD30寄存器接收上位機(jī)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

圖10 X軸的控制程序

圖11 實(shí)現(xiàn)X軸電機(jī)正反轉(zhuǎn)功能的單相控制方式

圖12 設(shè)定X軸電機(jī)的啟動(dòng)和停止速度

圖13 X軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)

Speed：為運(yùn)行速度，X軸的運(yùn)行速度是一定的，所以VD200的數(shù)據(jù)為一個(gè)常數(shù)。

Mode位：是來(lái)選擇運(yùn)動(dòng)類(lèi)型的。0：表示絕對(duì)位置；1：相對(duì)位置。我們主要采用的是絕對(duì)位置的運(yùn)動(dòng)模式。

C_Dir：記錄當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)方向，正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。

Abort位：動(dòng)作說(shuō)明電機(jī)減速直到停止。

C_Pos 位：記錄著運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前位置，該值記錄在VD100寄存器中。

C_peed：表示當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)速度，該值記錄在VD200寄存器中。

Error：錯(cuò)誤代碼輸出位，將該值記錄到VB100寄存器中。

3.2.2 Y軸的控制程序

下面介紹Y軸的控制程序設(shè)定，如圖14。

設(shè)定相應(yīng)的單相控制方式，就是方向信號(hào)為高低電平的控制方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)功能，如圖15。

圖14 Y軸的控制程序

圖15 實(shí)現(xiàn)Y軸電機(jī)正反轉(zhuǎn)功能的單相控制方式

X軸和Y軸的運(yùn)動(dòng)的最大速度是一樣的，所以配置不需更改，默認(rèn)就可以。設(shè)定了Y軸運(yùn)動(dòng)的加減速時(shí)間，X軸和Y軸的運(yùn)動(dòng)加減速是一樣的，不需更改，如圖16。

通過(guò)編程軟件的運(yùn)動(dòng)控制向?qū)?，設(shè)定了Y軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，如圖17。

AXISO_GOTO語(yǔ)句：模塊控制著電機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式。

EN使能位：確保EN位保持開(kāi)啟，知道DONE位動(dòng)作說(shuō)明，此次運(yùn)動(dòng)執(zhí)行完成。

START位動(dòng)作：表示執(zhí)行該語(yǔ)句模塊。

Pos位：表示要移動(dòng)的位置，是相對(duì)初始位置的絕對(duì)位置，就是要運(yùn)行的脈沖個(gè)數(shù)。VD32寄存器接收上位機(jī)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

Speed：運(yùn)行速度， Y軸的運(yùn)行速度是一定的，所以VD202的數(shù)據(jù)為一個(gè)常數(shù)。

Mode位：選擇運(yùn)動(dòng)類(lèi)型，0：絕對(duì)位置；1：相對(duì)位置；主要采用的是絕對(duì)位置的運(yùn)動(dòng)模式。

C_Dir：記錄當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)方向，正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。

Abort位：動(dòng)作說(shuō)明電機(jī)減速直到停止。

C_Pos 位：記錄著運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前位置，該值記錄在VD102寄存器中。

C_peed：表示當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)速度，該值記錄在

VD202寄存器中。

圖16 設(shè)定Y軸電機(jī)的啟動(dòng)和停止速度

圖17 Y軸步進(jìn)電機(jī)的的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)

Error：錯(cuò)誤代碼輸出位，將該值記錄到VB102寄存器中。

3.2.3 Z軸的控制程序

Z軸主要是刀具的運(yùn)動(dòng)，所以加減速的時(shí)間會(huì)短一些，控制程序設(shè)定如圖18。

Z軸的控制方式和X、Y軸是一樣的。設(shè)定相應(yīng)的單相控制方式，就是方向信號(hào)為高低電平的控制方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)Z軸電機(jī)的正反轉(zhuǎn)功能，如圖19。

為了保護(hù)刀具，設(shè)定了Z軸啟動(dòng)、停止速度和最大速度，低速運(yùn)行以免損壞刀具。因?yàn)樽畲笏俣雀淖?，加減速的時(shí)間也相應(yīng)進(jìn)行了修改，如圖20。

通過(guò)編程軟件的運(yùn)動(dòng)控制向?qū)?，設(shè)定了Z軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，如圖21。

AXISO_GOTO語(yǔ)句：模塊控制著電機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式。

圖18 Z軸的控制程序

EN使能位：確保EN位保持開(kāi)啟，知道DONE位動(dòng)作，說(shuō)明此次運(yùn)動(dòng)執(zhí)行完成。

START位動(dòng)作：表示執(zhí)行該語(yǔ)句模塊。

Pos位：表示要移動(dòng)的位置，是相對(duì)初始位置，絕對(duì)位置是要運(yùn)行的脈沖個(gè)數(shù)，VD32寄存器接收上位機(jī)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

Speed：運(yùn)行速度， Z軸的運(yùn)行速度是一定的，所以VD204的數(shù)據(jù)為一個(gè)常數(shù)。

Mode位：選擇運(yùn)動(dòng)類(lèi)型，0：絕對(duì)位置；1：相對(duì)位置；主要采用絕對(duì)位置的運(yùn)動(dòng)模式。

C_Dir：記錄當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)方向，正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。

Abort位：動(dòng)作說(shuō)明電機(jī)減速直到停止。

圖19 實(shí)現(xiàn)Z軸電機(jī)正反轉(zhuǎn)功能的單相控制方式

圖20 設(shè)定Z軸電機(jī)的啟動(dòng)和停止速度

圖21 Z軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)

C_Pos 位：記錄著運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前位置，該值記錄在VD104寄存器中。

C_peed：表示當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)速度，該值記錄在VD204寄存器中。

Error：錯(cuò)誤代碼輸出位，該值記錄到VB104寄存器中。

在每次運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，都會(huì)監(jiān)測(cè)錯(cuò)誤標(biāo)志輸出位，這里主要介紹一些重要的錯(cuò)誤代碼，其他可參照西門(mén)子官網(wǎng)的手冊(cè)。把錯(cuò)誤代碼存儲(chǔ)在寄存器中，錯(cuò)誤代碼如表1 所示。

表1 錯(cuò)誤代碼

4 結(jié)束語(yǔ)

主要介紹了三軸雕刻機(jī)電氣部分，通過(guò)PLC控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)進(jìn)行工作，并通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確控制，實(shí)現(xiàn)三軸雕刻的加工動(dòng)作。其中上位機(jī)軟件部分本文沒(méi)有進(jìn)行說(shuō)明。

Application of stepping motor in three axis engraving machine based on PLC control

Cai Dongsong, Dong Zengyong
( Department of mechanical and electrical engineering, Hangzhou Technician College, Hangzhou 311500,China )

This paper mainly introduces the precise position control of stepping motor by using CPU ST40, so as to realize the working requirements of three axis engraving machine. The design of the upper computer software of engraving machine will not be introduced in this paper.

PLC; S7-200 SMART; stepping motor; three axis engraving machine

TP273

B

1672-4852（2017）03-0030-08

2017-02-09.

蔡冬松（1989-），男 ，工程師.

（編輯：林小江）