0 前言
PLC是一種以微處理器為基礎，綜合了現代計算機技術、自動化技術和通信技術發展起來的一種通用的工業自動化裝置。由于它具有體積小、功能強、程序設計簡單，以及維護方便等優點，特別是PLC適應惡劣的工業環境的能力和高可靠性，使其應用越來越廣泛。但是由于我國的PLC技術教育落后，許多高校畢業生，甚至一些現場工程技術人員對PLC的知識也相當缺乏[1]。

步進電機是工業自動化過程當中經常用到的一種控制傳動機構，它是通過接受輸入脈沖，然后每個脈沖轉動一定的步距（角度）來完成對執行機構的控制傳動的。使用PLC可以通過特殊功能存儲器（SM）或者增加EM253位控模塊來控制步進電機，但是使用SM需要熟悉每一位的意義，而且編程煩瑣。如果為PLC增加功能擴展模塊，無疑會增加產品成本。鑒于這些原因并結合本人的實踐經驗，本文利用STEP 7-Micro/WIN 位置控制向導來實現應用PLC控制步進電機的運動功能。

1 操作步驟[2]
使用STEP 7——Micro/WIN位置控制向導，為線性脈沖串輸出（PTO）操作組態一個內置輸出。啟動位置控制向導，可以點擊瀏覽條中的向導圖標，然后雙擊PTO/PWM圖標，或者選擇菜單命令工具→位置控制向導。
（1）在位置控制向導對話框中選擇“配置S7-200 PLC內置PTO/PWM操作"。
（2）選擇Q0.0或Q0.1，組態作為PTO的輸出。
（3）從下拉對話框中選擇“線性脈沖串輸出（PTO）"。
（4）若想監視PTO產生的脈沖數目，點擊復選框選擇使用高速計數器。
（5）在對應的編輯框中輸入最高電機速度（MAX_SPEED）和電機的啟動/停止速度（SS_SPEED）的數值。
（6）在對應的編輯框中輸入加速和減速時間。
（7）在移動包絡定義界面，點擊新包絡按鈕允許定義包絡，并選擇所需的操作模式。
a）對于相對位置包絡：
輸入目標速度和脈沖數。然后，可以點擊“繪制包絡"按鈕，查看移動的圖形描述。
若需要多個步，點擊“新步"按鈕并按要求輸入步信息。
b）對于單速連續轉動：
在編輯框中輸入目標速度的數值。
若想終止單速連續轉動，點擊子程序編程復選框，并輸入停止事件后的移動脈沖數。
（8）根據移動的需要，可以定義多個包絡和多個步。
（9）選擇完成結束向導。

2 應用實例
本例通過PLC控制步進電機在車輪自動超聲探傷中的應用，進一步說明利用STEP 7-Micro/WIN 位置控制向導來實現利用PLC控制步進電機的具體操作過程。

車輪自動超聲探傷系統是利用車輪在探傷架上的轉動，通過超聲波來實現對車輪內部缺陷的檢測，其中車輪的轉動是由步進電機通過減速箱來實現驅動的。整個系統機械部分的運動由下位機（PLC）來控制，如圖1。

圖1 機械系統運動原理 圖2 上位機與下位機的通信

為了保證探傷的準確性，一般需要兩組探頭同時檢測分別對車輪的踏面以及內側面。當這兩組探頭分別接觸到車輪的踏面和內側面后，PLC會收到這兩組探頭的行程開關發出的探頭到位信號，此時由下位機向上位機（工控機）上傳“準備好"信號。在上位機收到“準備好"信號后，可以向下位機發送“探傷開始"的信號了，下位機收到該信號后，立即向步進電機發送脈沖，車輪開始轉動，探傷工作開始了，如圖2所示，其中上位機與下位機是采用自由口方式進行通信的。

在這個過程中，利用位置控制向導對步進電機的配置非常重要，合理的配置能夠增加探傷系統的靈敏度，不合理的配置會增加探傷工作的困難，甚至有可能燒壞電機。

在該應用中，配置向導的前四個操作步驟中一般采用默認設置即可。在操作步驟（5）中，MAX_SPEED的設置應該在電機力矩的最大范圍內，驅動負載所需的力矩由摩擦力、慣性以及加速/減速時間決定，在這里設為400。對SS_SPEED的設置不能太大，太大就會造成電機失步，但是如果太小就會在電機啟動時產生顫抖或者振動，在此設為100。具體應用要根據不同的電機使用說明書來設置。電機速度（MIN_SPEED）系統默認等于SS_SPEED。MAX_SPEED、SS_SPEED和MIN_SPEED的關系如圖3所示。

圖3 最大、最小和開始/停止速度

在步驟（6）中可以設置加速時間（ACCEL_TIME）和減速時間（DECEL_TIME），如圖4所示。在該系統中，探傷主要是在電機勻速轉動時工作的，所以加速與減速時間越小越有利于探傷工作，但是時間太小會影響步進電機的使用壽命，在此加速時間設為1000，減速時間設為500。


圖4 加速時間和減速時間

在步驟（7）中，由于步進電機本身存在加速與減速時間，所以我們選擇建立相對位置包絡。并且探傷系統不需要中間變速度，所以只需要輸入希望的步0信息。在該系統中，我們希望的目標速度為150（介于MAX_SPEED和MIN_SPEED之間）。假設α為步進電機一步轉過的角度，θ為步進電機總共需要轉的角度，ψ為步進電機需要的總脈沖數，φ為車輪總共轉過的角度，n為減速箱的傳動比，于是計算包絡總位移（即步進電機需要的總脈沖數）的公式為
ψ=θ/α=nφ/α （1）

由于步進電機存在開始時加速和結束時減速兩個無法克服的過程，所以在這兩個過程中可能存在漏探或誤探，于是在探傷過程中規定，車輪至少應轉1.25圈，即450°。在該系統中，n=60，α=0.72°（即每轉細分數為500步）,因此由公式（1）可以推出ψ=37500。繪制的包絡如圖5所示。

圖5 相對位置模式下的包絡

然后選擇一個大小合適且未使用的V存儲區來保存配置和包絡信息，最后向導會根據剛才的配置生成PTO0_CTRL、PTO0_MAN和PTO0_RUN三個項目組件，用戶可以在自己編寫的程序中調用這些組件。其中：PTO0_CTRL指令是用于在手動模式下初始化步進電機；PTO0_MAN指令是用于手動模式控制線性PTO，在手動模式中，可以使用不同的速度操作PTO，如圖6；PTO0_RUN指令用于命令線性PTO操作執行在向導配置中的運動包絡，如圖7。


圖6 PTO0_MAN指令應用

圖7 PTO0_RUN指令應用

至此，利用位置控制向導對步進電機的配置已經完成。

3 結論
通過上面的例子可以看出，本文介紹的利用STEP 7-Micro/WIN 位置控制向導來實現PLC對步進電機的控制，操作簡單，而且不用增加功能擴展模塊，降低了產品成本，是非常值得在PLC應用中嘗試的。