西门子S7-300PLC控制步进电机的技巧

1.西门子S7-300PLC控制原理

三相步进电机可采用三种工作方式：三相单三拍，三相双三拍，三相单六拍，这三种方式的主要区别是：电机绕组的通电、放电时间不同。工作方式是单三拍时通电时间最短，双三拍时允许放电时间最短，六拍时通电时间和放电时间最长。

因此，同一脉冲频率时，六拍的工作方式出力最大。而且电机是三拍的工作方式时，其分辨率为3度；六拍的工作方式时，分辨率是1.5度。因此，采用三相六拍的工作方式，在这种控制方式下工作，步进电机的运行特性好，步进电机分辨率最高。可根据步进电机的工作方式，以及所要求的频率（步进电机的速度），画出A、B、C各相的时序图，如图4-24所示，并使用PLC产生各种时序的脉冲。

图4-24　三相单六拍正向时序图

2.接线及硬件组态方法

（1）接线方法

步进电机的控制用PLC的脉宽调制，314C-2PN/DP CPU能输出可调脉宽的点是固定的：Q0.0接脉冲，Q0.1接方向；由于使用脉宽调制来控制步进电机，PLC对步进电机发出的脉冲数量需要使用高速计数器进行记录，所以将脉冲和方向信号再分别接回PLC的输入端；PLC可用于高速计数的输入点也是固定的，系统采用了通道2来实现高速计数，所以将Q0.0 接至 I0.6，Q0.1 接至I0.7。步进电机如图4-25所示，步进电机驱动器接线如图4-26所示。

图4-25　步进电机图

图4-26　步进电机驱动器接线图

（2）组态方法

组态中，涉及计数_1的通道0和通道2。

通道0参数设置如图4-27所示。

图4-27　通道0参数设置图

通道2参数设置如图4-28所示。

图4-28　通道2参数设置图

3.控制编程方法

PLC控制器选择的是紧凑型S7-300PLC，314C-2PN/DP，触摸屏选择的是西门子TP700型彩色触摸屏。

机械手的直线行走控制选用的是两相混合式步进电机，步距角为1.8°。步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置，每输入一个电脉冲信号，电机就转动一个角度，具有较好的定位精度，无漂移和无积累定位误差等优点。两相混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。选择的步进电机驱动器驱动方式为恒流PWM，最大到64细分，配上细分驱动器后其步距角最小可达到1.8°/64。采用细分驱动技术可以大大提高步进电机的步距分辨率，减少转矩波动，降低运行噪声。(www.xing528.com)

机械手的气压传动部分选用了三个双作用气缸，分别实现机械手的左右转动，大气缸的升降运动、气爪的夹紧和松开动作，机械手升降小气缸采用的是单作用气缸。气缸中除了气爪气缸上安装1只限位传感器外，其余三个气缸上都安装了两只限位传感器，用于气缸动作的检测。

（1）主要地址分配

主要地址分配如表4-9所示。

表4-9　主要地址分配表

（2）步进电机控制程序块

在此程序块中主要应用指令→工艺→300C下的脉冲和CONNT指令，另外将测试出的需要定位的位置（M20.1-M20.4）的脉冲数送到目标值MD104，在后面的程序设计中只需要给出位置的标志位即可。图4-29至图4-31为步进电机控制程序块部分程序。

（3）自动运行程序块（GRAPH语言编程）

图4-29　PULSE块图

图4-30　COUNT块图

图4-31　步进电机程序块部分程序图

工作方式转换开关打在自动运行位置（此时I0.7的信号指示灯亮），机械手进入自动运行工作状态。系统处于初始状态时，按下启动按钮，机械手搬运系统自动运行。自动运行工作流程：机械手复位→机械手行走到传送带末端→取料→行走到热处理单元→机械手左转→放料→热处理（10s）→取料→行走到1号库位→放料→右转→机械手行走到传送带末端，取下一个物料，依次循环。自动运行工作流程步骤较多，采用GRAPH语言编写程序，能充分体现出顺序设计方法的优点：程序流程步骤清晰，不需要考虑输出继电器间的互锁关系，程序调试、修改方便，调试时间短效率高。

上述自动运行流程中取料动作包括了：机械手小气缸下降并保持→气爪夹紧并保持→小气缸上升三个动作，放料动作包括了：机械手小气缸下降并保持→气爪松开→小气缸上升三个动作，取料、放料动作在自动化的生产过程中机械手需要多次执行，如果采用单序列顺序功能图，会导致程序步数过多，流程图过长，给调试工作带来不便。因此，在程序设计时将取放料动作单独设计了取放料程序块。在机械手自动运行顺序图中根据情况设置调用标志位（M20.5或M20.6）即可，完成取放料动作流程后，输出取放料完成标志位M20.7，自动进入下一步程序的执行，减少了程序的步数，程序更为简洁，机械手自动搬运顺序图如图4-32所示。

图4-32　机械手自动搬运顺序图

（4）取放料程序块

取放料顺序图设计如图4-33所示。

图4-33　取放料顺序图