S7-200 PLC步进电机控制系统的设计+仿真图(4)
步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的感应电机，它的工作原理是利用电子电路将直流电变换成分时供电，多项时序控制电流，再用这种电流为步进电机供电。步进电机的旋转是根据脉冲信号的个数以一固定的角度一步一步进行的，改变脉冲的频率就可以改变步进电机的运行速度。步进电机这种灵活的控制方式使它可以在少数脉冲内就可以完成加减速和正反转。
步进电机可以大概分为一下几种：
(1) 永磁步进电机：比较多的为两相，转矩和体积都比较小。
(2) 反应步进电机：比较常见的为三相，可以实现大转矩输出。
(3) 混合步进电机：是指混合了永磁式和反应式优点的电机，它又分为两相和五相,这是目前应用最广泛的一种步进电机。
3.2 步进电机的特性
(1) 步进电机可进行角度控制和速度控制，并且具有自锁性。
(2) 矩角特性—电动机电磁转矩T随偏转角θ之间的关系。
(3) 脉冲信号频率对电动机运行的影响。
(4) 转子惯性对步进电动机运行的影响。
3.3 步进电动机主要性能指标
(1) 步距角 ;
(2) 最大静转矩 ;
(3) 空载启动频率 ;
(4) 精度 ;
(5) 连续运行频率 。
选用PLC单相脉冲模式的两项四线步进电机如图2所示： 图2 四线步进电机
步进电机的正反转可以通过改变步进电机的绕组的顺序来控制其方向转变，两相四线步进电机正传通电顺序是A+B+ -A-B+-A+B--A-B--A+B+……，反转通电顺序是A+B+-A+B--A-B+-A-B--A+B+…….
步进电机的步数也可以通过计算脉冲数量来确定，一个脉冲可以使步进电机前进或者后退一步，输出角位移和输入脉冲数成正比。通过计算输出位移量可以确定PLC输入脉冲个数，即可实现对步进电机的步数控制。
步数=步进电机输出位移量/机构的脉冲当量
4. 基于PLC步进电机控制系统的设计
4.1 硬件系统组成
基于PLC的典型的控制系统硬件部分由控制面板、PLC 、EM253、PLC驱动器、步进电机、负载组成，控制系统硬件组成图如图3所示：
图3 控制系统硬件组成图
控制面板属于人机交换界面，工程人员通过计算机软件STEP7-Micro/WIN V4.0编程，将编好的程序输入PLC中，由PLC根据程序发出脉冲信号，由于PLC输出的脉冲信号比较弱无法直接控制步进电机，要通过步进电机驱动器将脉冲信号放大增强后来控制步进电机，通过控制步进电机来控制装有步进电机的负载的运动[6]。
4.1.1 步进电机
步进电机由三大要素组成：步距角、静力距和电流。选择步进电机之前要先确定三大要素，由负载精度确定步距角，由负载的大小确定静力距，最后由步距角和静力矩的大小确定电流。本章步进电机选用两相四线步进电机，该电机步进角为1.8度、静力距4.5、电流大小1.7A。
对步进电机的控制要求：
(1) 能控制步进电机的转速。
(2) 能对步进电机的正反转进行控制。
(3) 能控制步进电机的运行步数。
4.1.2 PLC
西门子S7-200系列PLC是一种小型可编程逻辑控制器，可提供四个不同基本型号和八种不同类型CPU。由于选用的步进电机为两相四线式。本章选用具有14个输出点和10个输入点的CPU224。
采用PLC控制步进电机需要先计算出控制系统的脉冲当量、脉冲频率上限、最大脉冲数量，然后才能决定选用什么类型的PLC。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：
脉冲当量=步进电机步距角*螺距/360*传动数比
脉冲频率上线=移动速度*步进电机系分数/脉冲当量