【文章內(nèi)容簡介】 C，日本的小型 PLC 占據(jù)了中國大部分的市場份額。在 S7200PLC 推出后，這種情況得到了明顯的改善，最近幾年來的小型 PLC 市場上 S7200PLC 成為了主流產(chǎn)品。 西門子最早的小型 PLC 產(chǎn)品是在上 世紀末推出的 S7200CPU21*系列的 PLC，但很快就被 CPY22*系列的產(chǎn)品所取代了。由于它具有多種功能模塊和人機界面（ HMI）可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成 PLC 網(wǎng)絡。同時它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設計時更加簡單，幾乎可以完成任何功能的控制任務?，F(xiàn)在最新版的 S7200PLC 系列 PLC 是在 2020 年推出的，它的主要特點是：較高的可靠性、豐富的指令集、豐富的內(nèi)置集成功能、實時特性強和強大的通信能力。 硬件系統(tǒng) S7200PLC屬于小型 PLC，其主機的基本 結構是整體式，主機上有一頂數(shù)量的輸入 /輸出 (I/O)點，一個主機單元就是一個系統(tǒng)。它還可以進行靈活的擴展，如果 (I/O)點不夠，則可增加 (I/O)擴展模塊；如果需要其他特殊功能，如特殊通信或定位控制等，則可以增加相應的功能模塊。 一個完整的系統(tǒng)組成如圖 ： 蘇州大學本科生畢業(yè)設計 7 編 程 工 具C P U主 機 模 塊H M I人 機 模 塊擴 展模 塊功 能模 塊通 信模 塊工 業(yè) 現(xiàn) 場 總 線圖 S7200 PLC 系統(tǒng)組成 主機單元：主機單元，又稱基本單元或 CPU模塊。它由 CPU、存儲器、基本輸入 /輸出點和電源等組成，是 PLC的主要部分。實 際上它就是一個完整的控制系統(tǒng)，可以單獨完成一定的控制任務。 擴展單元：擴展單元，又稱擴展模塊。當主機 I/O點數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時，用戶可以根據(jù)需要擴展各種 I/O模塊。根據(jù) I/O點數(shù)不同、性質(zhì)不同、供電電壓不同， I/O擴展模塊有多種類型。每個 CPU所能連接的擴展單元的數(shù)量和實際所能使用的 I/O點數(shù)是由多種因素共同決定的。 特殊功能模塊：當需要完成某些特殊功能的控制任務時，需要擴展功能模塊。它們是完成某種特殊控制任務的一些裝置，如運動控制模塊、特殊通信模塊等。 相關設備：相關設備是為充分和方便利用系統(tǒng)的 硬件和軟件資源而開發(fā)、使用的一些設備，主要有編程設備、人機操作界面和網(wǎng)絡設備等。 軟件：軟件是為管理和使用這些設備而開發(fā)的與之相配套的程序，對 S7200PLC來說，與之配套的軟件主要有 STEP7Micro/WIN和 HMI人機界面的組態(tài)編程軟件 Pro Tool、Win CC flexible。 軟元件 用戶使用的 PLC中的每一個輸入 /輸出、 內(nèi)部存儲單元、定時器和計數(shù)器等都稱作軟元件。軟元件是 PLC內(nèi)部 的具有一定功能的器件，這些器件實際上是由電子電路和寄存器及存儲器單元等組成。為了把這種元器 件和傳統(tǒng)電氣控制電路中的繼電器區(qū)別開來，把它們成為軟元件或者軟繼電器。它們最大的特點是： 1） 軟元件是看不見、摸不著的，不存在物理性的觸點； 蘇州大學本科生畢業(yè)設計 8 2） 每個軟元件可提供無限個常開觸點和常閉觸點； 3） 體積小、功耗低、壽命長。 常用軟元件有：輸入繼電器 （ I） 、輸出繼電器 (Q)、通用輔助繼電器 (M)、特殊繼電器 (SM)、 變量存儲器 (V)、局部變量存儲器 (L)、順序控制繼電器 (S)、定時器 (T)、計數(shù)器 (C)、模擬量輸入映像寄存器 (AI)、模擬量輸出映像寄存器 (AQ)、高速計數(shù)器 (HC)、累加器 (AC)等。 [3] PLC 技術在步進電機控制中的 應用 隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進的發(fā)展，其功能已遠遠超出了邏輯控制、順序控制的范圍。繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動機本身應用領域的拓寬以及各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小。對電動機進行綜合設計。即把轉子位置傳感器 ， 減速齒輪等和電動機本體綜合設計在一起 ，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng) ， 因而具有更加優(yōu)越的控制性。向五相和三相電動機方向發(fā)展，目前廣泛應用的二相和四相電動機，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機具有優(yōu)勢性 。而就這兩種電動機而言，五相電動機的驅動電路比三相電動機復雜，因此三相電動機系統(tǒng)的 性能價格比要比五相電動機更好一些。 目前利用可編程序控制器（ PLC）可以方便地實現(xiàn)對電機速度和位置的控制，方便地進行各種步進電機的操作，完成各種復雜的工作，它代表了先進的工業(yè)自動化革命，加速了機電一體化的實現(xiàn)。 用 PLC 對步進電機也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運動控制功能，現(xiàn)對步進電機的控 制。 步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件 ， 每當對其施加一個電脈沖時 ， 其輸出軸便轉過一個固定的角度。步進電機的輸出位移量與輸入脈沖個數(shù)成正比 ， 其轉速與單位時間內(nèi)輸入的脈沖數(shù) (即脈沖頻率 )成正比 ， 其轉向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電的相序 ，便可控制步進電機的輸出位移量、速度和轉 向。 PLC 直接控制步進電機系統(tǒng)由 PLC 和步進電機組成 ， PLC 具有實時刷新技術 ， 輸出信號的頻率可以達到數(shù)千赫茲或更高 ， 使得脈沖分配能有很高的分配速度 ， 充分利用步進電機的速度響應能力 ， 提高整個系統(tǒng)的快速性。并且 ， PLC 有采用大功率晶體管的輸出端口 ， 能夠 滿足步進電機各相繞組數(shù) 10V 級脈沖電壓、 1A 級脈沖電流的驅動要 求。 蘇州大學本科生畢業(yè)設計 9 第四章 S7200 PLC 控制步進電機 設計 步進電機的控制和驅動方法很多，按照使用的控制裝置來分可以分為 :普通集成電路控制、單片機控制、工業(yè)控制機控制、可編程控制器控制等幾種 。 本設計選用西門子 S7200 PLC 通過 控制驅動器來控制步進電機。 步進電機的選擇 本設計使用的步進電機選用的是型號為 42H2P3412A4 的兩相混合式步進電機，該型號的步進電 機 步矩角為 176。，相電流 ，相電阻 ，相電感 ，靜轉矩cm，轉動慣量 41gcm2，軸徑 5mm，引線 4 條，機身長 34mm [4]。 兩相混合式步進電機內(nèi)部結構如圖 所示： 圖 兩相 混合式步進電機內(nèi)部結構 兩相混合式步進電動機 的 繞組接線 如 圖 ， A、 B兩相繞組沿徑向分相 ， 沿著定子圓周有 8個凸出的磁極 ， 7磁極屬于 A相繞組 ， 8磁極屬于 B相繞組 ，定子每個極面上有 5個齒 ， 極身上有控制繞組。轉子由環(huán)形磁鋼和兩段鐵芯組成 ， 環(huán)形磁鋼在轉子中部 ， 軸向充磁 ， 兩段鐵芯分別裝在磁鋼的兩端 ， 使得轉子軸向分為兩個磁極。轉子 鐵芯上均勻分布 50個齒 ， 兩段鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距 ， 定轉子的齒距和齒寬相同。 線圈 7串聯(lián)組成 A相繞組；線圈 8串聯(lián)組成 B相繞組。 繞組接線如圖 ： 蘇州大學本科生畢業(yè)設計 10 1537A A 2648BB 圖 兩相 混合式步進電動機的繞組接線 步進電機驅動電路設計 步進電機必須有驅動器和控制器才能正常工作。驅動器的作用是對控制脈沖進行環(huán)形分配、功率放大 ， 使步進電機繞組按一定順序通電 ， 控制電機轉動。 驅動 器的選擇 本設計選用型號為 2MA320的驅動器。 該型號驅動器的特點： 1） 供電電壓 DC1236V或 AC1224V 2） 驅動電流 3） 細分精度 1128細分可選 4） 光隔離信號輸入 5） 電機噪聲優(yōu)化功能 6） 可驅動任何 、四相混合式步進電機 7） 20KHz斬波頻率 步進電機驅動技術 驅動器內(nèi)部結構如圖 ： 蘇州大學本科生畢業(yè)設計 11 接口電路環(huán)形分配器功率放大器脈 沖方 向U a脈 沖方 向U aU bU b 圖 驅動器內(nèi)部結構 接口電路 用光電隔離方式將運動控制器和驅動器連接起來， 避免 驅動器中的大電流干擾信 號經(jīng)地線竄入運動控制器電路。 環(huán)形分配器 將脈沖及方向信號按設定的節(jié)拍方式，轉換為功放管的導通和截止信號，從而控制各相繞組的通電和斷電。 功率放大器 將電源功率轉換為電機輸出功率驅動負載運動。 驅動 接口 電路 如圖 ： 步 進電 機驅動器A +A B +B A C 1A C 2驅 動電 源 圖 本設計 驅動電路 接線圖 當兩相控制繞組按次序輪流通電 ， 每拍只有一相繞組通電 ， 四拍構成一個循環(huán)。當控制繞組有電流通過時 ， 便產(chǎn)生磁動勢 ， 它與永久磁鋼產(chǎn)生的磁動勢相互作用 ， 產(chǎn)生電磁轉矩 ， 使轉子產(chǎn)生步進運動。 當 A相繞組通電時 ， 在轉子 N極端磁極 1上的繞組產(chǎn)生的 S磁極吸引轉子 N極 ， 使得磁極 1下是齒對齒 ， 磁力線由轉子 N極指向磁極 1齒面 ， 磁極 5下也是齒對齒 ， 磁極 3和 7是齒對槽 ， 所示 A相通電轉子 N極端定轉子平衡。由于兩段轉子鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距 ， 在轉子 S極端 ， 磁極 1和 5產(chǎn)生的 S極磁場 ， 排斥轉子 S極 ， 與轉子正好是齒對槽 ， 磁極 3和 7齒面產(chǎn)生 N極磁場 ， 吸引轉子 S極 ， 使得齒對齒。 A相繞組通電時轉子 N極端、 S極端轉子平衡 。 如圖 。 因轉子上共有 50個齒 ， 其齒距角為 3601