电气控制与S7-1200 PLC应用教程 课件 项目15：步进电机驱动的工作台PLC控制系统设计安装与调试

项目导入工业机器人中经常用步进电机来控制机械臂的移动位置和移动速度，如何通过PLC实现其精确控制？项目15：步进电机驱动的工作台PLC控制系统设计与调试PLC通过控制步进电机实现工作台移动步进电机驱动的工作台实验器材项目预期学习目标

知识目标：能够理解高速脉冲输出指令与运动控制指令的功能。能够理解轴的概念。

技能目标：能够使用轴运动控制指令进行步进电机驱动控制。能够利用PLC设备进行程序调试。

素质目标：文明、守时、安全、卫生。任务一步进电机与驱动器认知任务二高速脉冲与运动控制指令认知任务四步进驱动的工作台PLC控制调试任务总览任务三步进电机PLC控制设计与调试任务一步进电机与驱动器认知1.步进电动机定义步进电动机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机，常作为数字控制系统中的执行元件。一般电动机是连续旋转的，而步进电机的转动是一步一步进行的。每输入一个脉冲电信号，步进电机就转动一个角度。通过改变脉冲频率和数量，即可实现调速和控制转动的角位移大小，具有较高的定位精度，其最小步距角可达0.75°。步进电机作为执行元件，广泛应用在各种家电产品中，如打印机、雨刷、机械手臂和录像机等。另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中。通过控制脉冲个数可以很方便的控制步进电机转过的角位移，且步进电机的误差不积累，可以达到准确定位的目的。还可以通过控制频率很方便的改变步进电机的转速和加速度，达到任意调速的目的，因此步进电机可以广泛的应用于各种开环控制系统中。步进电机的分类（1）反应式步进电机：转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小齿、步距角小；

（2）永磁式步进电机：转子为永磁材料，转子的极数=每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大；（3）混合式步进电机：转子为永磁式、两段，开小齿，转矩大、动态性能好、步距角小，但结构复杂，成本较高。2.步进电机的分类、基本结构和工作原理步进电机的基本结构定子转子定子绕组步进电动机结构简图原理：步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号

转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。

(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。

(3)改变脉冲顺序，改变转动方向。

(4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比.3.驱动控制器步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器（单片机、PLC或专门的硬件电路）、环形脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分组成。

任务二高速脉冲输出与运动控制指令认知S7-1200PLC可以通过特定的数字量输出端子输出高速脉冲序列，用于驱动步进电机、伺服电机等负载实现精确控制，该方式广泛应用在运动控制中。高速脉冲输出有两种方式：PWM（Pulse-WidthModulation.宽度可调的脉冲输出）和PTO（Pulse-TrainOutput,脉冲序列输出）。PWM可以提供一串周期固定、脉宽（占空比）可调的脉冲输出，PTO可以提供一串占空比固定50%、周期可调的脉冲输出。可将PLC每个高速脉冲输出端指定为PWM或PTO，但不能同时指定为PWM和PTO。

每个PLC的CPU最多可组态4路PTO/PWM发生器，可使用CPU本机或信号板中的数字量输出端子输出PTO或PWM脉冲。PTO输出占用2个输出点（脉冲和方向）;PWM脉冲占用1个输出点（脉冲），另一个未用的输出点可用作其他功能。被组态为PTO/PWM的输出点不能再作为普通端子使用。高速脉冲输出功能：PTO/PWM默认组态的输出地址如下表所示，实际地址可以根据需要进行修改。1.高速脉冲输出指令PTO类型脉冲方向最大频率(kHz)PWM类型脉冲最小周期(us)PTO1CPU输出Q0.0Q0.1100PWM1CPU输出Q0.010SB输出Q4.0Q4.1200SB输出Q4.05PTO2CPU输出Q0.2Q0.3100PWM2CPU输出Q0.210SB输出Q4.2Q4.3200SB输出Q4.25PTO3CPU输出Q0.4Q0.520PWM3CPU输出Q0.450SB输出Q4.0Q4.1200SB输出Q4.15PTO4CPU输出Q0.6Q0.720PWM4CPU输出Q0.650SB输出Q4.2Q4.3200SB输出Q4.35高速脉冲输出指令：

1.高速脉冲输出指令高速脉冲输出指令应用实例：

1.高速脉冲输出指令S7-1200PLC采用轴的概念进行运动控制，通过对轴参数的组态（硬件接口、驱动器信号、机械特性、位置限制及动态参数等），并与对应的标准指令配合使用，可以实现绝对位置、相对位置、点动、转速控制及自动寻找参考点等功能。2.运动控制

运动控制根据连接驱动方式不同，分成三种控制方式：1）PROFIdrive：S7-1200PLC通过基于PROFIBUS/PROFINET的PROFIdrive方式与支持PROFIdrive的驱动器连接，进行运动控制。2）PTO：S7-1200PLC通过发送PTO脉冲的方式控制驱动器，可以是脉冲+方向、A/B正交、也可以是正/反脉冲的方式。3）模拟量：S7-1200PLC通过输出模拟量来控制驱动器。PTO控制方式是所有版本的S7-1200CPU都支持的控制方式，该控制方式属于开环控制，由CPU向轴驱动器发送高速脉冲以及方向信号来控制轴的运行。2.运动控制指令

启动/禁用轴指令错误确认指令2.运动控制

回原点指令停止轴运行指令2.运动控制

绝对位置指令相对位置指令2.运动控制

点动指令速度运行指令2.运动控制

按运动顺序运行轴指令更改轴动态参数指令2.运动控制（1）启动/禁用轴指令说明指令名称：启动/禁用轴。功能：使能轴或禁用轴。使用要点：在程序里一直调用，并且在其他运动控制指令之前调用并使能。输入端：

①EN：该输入端是MC_Power指令的使能端，不是轴的使能端。②Axis：轴名称③Enable：轴使能端Enable=0：根据组态的“StopMode”中断当前所有作业。停止并禁用轴。Enable=1：如果组态了轴的驱动信号，则Enable=1时将接通驱动器的电源。④StopMode：轴停止模式StopMode=0：紧急停止StopMode=1：立即停止StopMode=2：带有加速度变化率控制的紧急停止。2.运动控制启动/禁用轴指令说明输出端：

⑤ENO：使能输出

⑥Status：轴的使能状态

⑦Busy：标记MC_Power指令是否处于活动状态

⑧Error：标记MC_Power指令是否产生错误

⑨ErrorID：当MC_Power指令产生错误时，用ErrorID表示错误号。

⑩ErrorInfo：当MC_Power指令产生错误时，用ErrorInfo表示错误信息。2.运动控制（2）回原点指令说明指令名称：回原点指令功能：使轴归位，设置参考点，用来将轴坐标与实际的物理驱动器位置进行匹配。使用要点：轴做绝对位置定位前一定要触发MC_Home指令。输入端：

①EN：该输入端是MC_Home指令的使能端。②Axis：轴名称③Execute：指令的启动位，用上升沿触发。④Position：位置值Mode=1时：对当前轴位置的修正值Mode=0,2,3时：轴的绝对位置值⑤Mode：回原点模式值Mode=0：

绝对式直接回零点，轴的位置值为参数“Position”的值Mode=1：

相对式直接回零点，轴的位置值等于当前轴位置+参数“Position”的值Mode=2：

被动回零点，轴的位置值为参数“Position”的值Mode=3：

主动回零点，轴的位置值为参数“Position”的值Mode=6：绝对编码器相对调节，将当前的轴位置设定为当前位置+参数“Position”的值Mode=7：绝对编码器绝对调节，将当前的轴位置设置为参数“Position”的值2.运动控制（3）点动指令说明指令名称：点动指令功能：在点动模式下以指定的速度连续移动轴。使用技巧：正向点动和反向点动不能同时触发。输入端：

①EN：该输入端是MC_MoveJog指令的使能端。②Axis：轴名称③JogForward：正向点动，不是用上升沿触发，JogForward为1时，轴运行；JogForward为0时，轴停止。类似于按钮功能，按下按钮，轴就运行，松开按钮，轴停止运行。

④JogBackward：反向点动，使用方法参考JogForward。⑤Velocity：点动速度设定。2.运动控制（4）速度运行指令说明指令名称：速度运行指令功能：使轴以预设的速度运行输入端：

①EN：该输入端是MC_MoveVelocity指令的使能端。②Axis：轴名称③Execute：指令的启动位，用上升沿触发。④Velocity：轴的速度。

⑤Direction：方向数值Direction=0：旋转方向取决于参数“Velocity”值的符号Direction=1：正方向旋转，忽略参数“Velocity”值的符号Direction=2：负方向旋转，忽略参数“Velocity”值的符号⑥Current：Current=0：轴按照参数“Velocity”和“Direction”值运行Current=1：轴忽略参数“Velocity”和“Direction”值，轴以当前速度运行。2.运动控制任务三步进电机PLC控制调试控制要求：采用轴控制面板对步进电机进行运动控制调试，包括点动控制、速度调节控制、回原点、定位控制等。1.按照PLC的硬件接线图接线驱动器步进电机步进电机驱动器接线方法(ENA使能端一般不接）2.用拨码开关设置脉冲与电流（1）启动博图TIA编程软件，创建新项目14，打开设备组态窗口，添加PLC_1[CPU1214CDC/DC/DC]。（2）单击项目树PLC文件夹下的“工艺对象”左边箭头，展开“工艺对象”目录。在“新增对象”中添加新对象名称“轴_1”，然后在“名称”下“TO_PositioningAxis”位置运动，单击“确定”按钮，如图所示。3.组态工艺对象轴（3）依次打开项目树中PLC_1下“工艺对象”→“轴_1”→“组态”，如图所示。双击“组态”对象，按下列顺序为“轴_1”进行组态双击“组态”(Configuration)对象，按下列顺序为轴_1进行组态。第一步：选择基本参数中”常规”选项，设置如图所示。第二步：选择常规参数下的”驱动器”，设置如图所示。第三步：选择扩展参数下的”机械”，设置如图所示。设置电机每转的脉冲数为400，电机每转的负载位移为4.0。这里所设置的电机每转的脉冲数和负载位移量需要跟实际的工作滑台滚珠丝杠相匹配。第四步：选择扩展参数下的“位置限制”。此处接受默认选项即可。第五步：组态动态下的“常规”参数设置，此处接受默认选项即可。第六步：对动态中“急停”进行设置，如图所示。将急停减速时间设置为0.1s。第七步：对回原点的“主动”选项进行设置。此处接受默认选项即可。5.实物运行调试当程序下载完成后，在界面标题栏中点中“转至在线”，用户就双击选择“工艺对象”中“轴_1”下的“调试”选项，使用轴控制面板来调试步进电机及驱动器，以测试轴的实际运行功能。在轴控制面板中，选择“主控制：”后的“激活”按钮，在弹出的提示窗口按“确定”按钮。在安全提示后，调试窗口中“轴：”后面的“启用”按钮激活。用户可以直接单击“启用”。此时就会出现所有的命令和状态信息都是可见的，而不是灰色的。用户可在“命令”后面的选择项中分别选择“点动”“速度设定值”“定位”和“回原点”进行调试。任务四基于PLC的步进电机控制调试控制要求：工作台由步进电机带动滚珠丝杠进行传动。当按下按钮SB1时，工作台回原点；按下按钮SB2，步进电机启动并正转，工作台前进，抬起按钮SB2，步进电机停止运动，实现正向点动控制；当按下按钮SB3，步进电机启动并反转，工作台后退，当抬起按钮SB3，步进电机停止运动，实现反向点动。当按下按钮SB4时，可调节工作台的移动速度（20mm/s)。当工作台位置超出左右限位时，步进电机停止运行。连接的外部设备功能说明PLC点名称SB1回原点按钮I0.0SB2正向点动按钮I0.1SB3反向点动按钮I0.2SB4速度控制按钮I0.3SQ1原点行程开关I1.1SQ2左限位行程开关I1.0SQ3右限位行程开关I1.2轴1脉冲输出Q0.0轴1方向输出Q0.11.确定与分配输入输出信号2.绘制PLC的硬件接线图（实验台PLC控制）传感器红色线接24V电源正极，黑色线接0V，黄色线接PLC输入端口。3.实物连接42步进电机，42是指直径42mm的步进电机。步进电机驱动器接线方式说明4.用拨码开关设置脉冲与电流（1）启动博图TIA编程软件，创建新项目14，打开设备组态窗口，添加PLC_1[CPU1214CDC/DC/DC]。（2）单击项目树PLC文件夹下的“工艺对象”左边箭头，展开“工艺对象”目录。在“新增对象”中添加新对象名称“轴_1”，然后在“名称”下“TO_PositioningAxis”位置运动，单击“确定”按钮，如图所示。5.组态工艺对象轴（3）依次打开项目树中PLC_1下“工艺对象”→“轴_1”→“组态”，如图所示。双击“组态”对象，按下列顺序为“轴_1”进行组态双击“组态”(Configuration)对象，按下图顺序为轴_1进行组态。第一步：选择基本参数中”常规”选项，设置如图所示。第二步：选择常规参数下的”驱动器”，设置如图所示。第三步：选择扩展参数下的”机械”，设置如图所示。设置电机每转的脉冲数为4