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软硬结构控制
3.4.2 西门子PLC控制步进电机
由以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出：
控制步进电机*重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子PLC本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率*大为10KHz，能够满足步进电动机的要求。对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC*好是具有实时刷新技术的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使脉冲能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。
对输入电机的相关脉冲控制，从而达到对步进电机三相绕组的48V直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。
3.5 本章小结
本章说明了三相步进电机几种常见的工作方式，即三相单三拍，三相双三拍和三相六拍。阐述了步进电机的控制原理，以及PLC控制步进电机运行的方法。
第4章 S7—300控制步进电机硬件设计
4.1 S7—300的介绍
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。
*处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，*后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
PLC常用的存储器类型：
1）RAM这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度*快，由锂电池支持。
2）EPROM这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。
3）EEPROM这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。
空间的分配：
各种PLC的CPU的*大寻址空间各不相同，根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：
1）系统程序存储区
2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）
3）用户程序存储区
系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。
系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。
1）I/O映象区：由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit）。整个I/O映象区可看作两个部分组成：开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。
2）系统软设备存储区：除了I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失。
CPU313C集成有3个用于高速计数或高频脉冲输出的特殊通道，3个通道位于CPU313C集成数字量输出点**字节的*低三位，这三位通常情况下可以作为普通的数字量输出点来使用。在需要高频脉冲输出时，可通过硬件设置定义这三位的属性，将其作为高频脉冲输出通道来使用。作为普通数字量输出点使用时，其系统默认地址为Q124.0、Q124.1、Q124.2（该地址用户可根据需要自行修改），作为高速脉冲输出时，对应的通道分别为0通道、1通道、2通道（通道号为固定值，用户不能自行修改）。每一通道都可输出*率为2.5KHZ（周期为0.4ms）的高频脉冲。CPU313C中，X2前接线端子22、23、24号接线端子分别对应通道0、通道1、和通道2。每个通道都有自己的硬件控制门，0通道的硬件门对应X2前接线端子的4号接线端子，对应的输入点默认地址为I124.2。1通道硬件门7号接线端子，对应的输入点默认地址为I124.5，而2号通道硬件门为12号接线端子，对应的输入点默认地址为I125.0。
图4-1 CPU313C的结构
4.1.1 西门子 PLC 应用中需要注意的问题
1）温度：PLC 要求环境温度在 0 ℃～55℃，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。
2）湿度：为了保证 PLC 的绝缘性能，空气的相对湿度应小于 85%( 无露珠) 。
3）震动：应使 PLC 远离强烈的震动源，防止振动频率为 10 Hz～55Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。
4）空气：避免有腐蚀和易燃的气体，如、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将 PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。
5）电源：PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。一般PLC 都有直流 24 V输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC 接收到错误信息。
4.1.2 控制系统中干扰及其来源
影响 PLC控制系统的干扰源，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，其原因是电流改变产生磁场，对设备产生电磁辐射；磁场改变产生电流，电磁高速产生电磁波，电磁波对其具有强烈的干扰。
1）强电干扰。由于电网覆盖范围广，电网受到空间电磁干扰而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化，开关操作浪涌、大型电力设备启停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。
2）柜内干扰。控制柜内的高压电器，大的电感性负载，混乱的布线都容易对 PLC 造成一定程度的干扰。
3）来自接地系统混乱时的干扰。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC 系统将无法正常工作。
4）来自 PLC系统内部的干扰。主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。
5）变频器干扰。一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量；二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的正常工作。
4.1.3 主要抗干扰措施
1）合理处理电源以抑制电网引入的干扰
对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为 1∶1 的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，还可以在电源输入端串接LC 滤波电路。
2）合理安装与布线
动力线、控制线以及 PLC 的电源线和 RS485 网线应分别配线，各走各的桥架或线槽。PLC 应远离强干扰源，柜内 PLC应远离动力线( 二者之间距离应大于 200 mm)，与 PLC 装在同一个柜子内的电感性负载，如功率较大的继电器、接触器的线圈，应并联RC 消弧电路。PLC的输入与输出*好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。
4.1.4 正确选择接地点以完善接地系统
PLC 控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对 PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。
1）安全地或电源接地：将电源线接地端和柜体连线接地为安全接地。
2）系统接地：PLC 控制器为了与所控的各个设备同电位而接地，叫系统接地。接地电阻值不得大于 4 Ω，一般需将 PLC设备系统地和控制柜内开关电源负端接在一起，作为控制系统地。
3）信号与屏蔽接地：一般要求信号线必须要有一的参考地。
4.2 步进电机的选择
本设计选用45BF008。相数是三相、步距角1.5/3度。电压24V、相电流0.2A、保持转距0.118NM(1.2kg.cm)、空载启动频率500，D为45； D1为25； 高H为2.5； d为4；E为14.5；L为58； D2为33；MS为4-M3
驱动电路
下图为步进电机的驱动电路。图中仅为一相的驱动电路，其余两相与之相同。在图中三极管 T1起开关作用。当三极管截止时，无集电极电流流通，开关相当于断开；当三极管饱和时， 流过的集电极电流*大，开关相当于闭合，该开关“动作”可由加于基极的电流来控制。由 T2、T3 两个三极管组成达林顿式功放电路， 驱动步进电机的3个绕组，使电机绕组的静态电流达到近 2A。电路中使用光电耦合器将控制和驱动信号隔离。当控制输入信号为低电平时，T1截止，输出高电平，则红外发光二极管截止，光敏三极管不导通，绕组中无电流流过；当输入信号为高电平时，T1 饱和导通，于是红外发光二极管被点亮， 使光敏三极管导通，向功率驱动级晶体管提供基极电流， 使其导通，绕组被通以电流。
图4-4 步进电机驱动电路
4.3.2 驱动电路接口
图4-5 驱动器接口
4.4 PLC驱动步进电机
西门子PLC本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率*大为10KHz，能够满足步进电动机的要求。对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC*好是具有实时刷新技术的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使环形脉冲分配能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。如下图所示：
图4-6 PLC直接驱动电机
环形分配程序对步进电机各相绕组的通电顺序进行环形脉冲分配，从而控制接到步进电机三相绕组的48V直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。步进电机的转动，由于步进电机是电感性负载，直流电阻很小，故接限流电阻以免脉冲电流过大损坏，当步进电机各相绕组的通电顺序按：…A—AB—B—BC—C—CA—A…导通断开时，步进电机正转。按A—AC—C—CB—B—BA—A…依次导通、断开时，步进电机反转，即步进电机可以按三相六拍工作。每当步进电机走一步，环形脉冲分配程序的步数减一，当步数减为零时，停止环形脉冲分配，等待下一次的脉冲输入。
控制部分的定位主要由位置控制部分与转速控制部分组成，分别接PLC的I0.0-I0.7口。接线图如下:
图4-7 定位控制部分图
4.5 本章小结
本章阐述了此次设计的硬件设计。简单介绍了西门子S7-300系列PLC，以及S7-300系列PLC在使用中应该注意的问题。设计了一个功率放大电路，并且说明了本次设计的硬件接线方法
