摘要：步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。对于那些控制精度要求不是很高的应用场合，用开环方式控制是一种较为简单而又经济的电气控制技术方案。本文使用S7-200对步进电机的正转，反转进行间歇性控制。
关键词：步进电机 S7-200 间歇性控制
一、引言
步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。电动机的转速和停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，即给电动机加一个脉冲信号，电动机则转过一个步距角（步距角指一个脉冲电机转动的固定角度），方向信号决定了旋转的方向。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累计误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单和经济。在未超载的情况下，电动机转速与停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，从而决定了他在一些要求不是很高的场合有广泛的用途，运行可靠方便。
就一个传动速比确定的具体设备而言，无需距离、速度信号反馈环，只需控制脉冲的数量和频率即可控制设备移动部件的移动距离和速度：而方向信号可控制移动的方向。因此，对于那些控制精度要求不是很高的应用场合，用开环方式控制是一种较为简单而又经济的电气控制技术方案。
二、步进电机控制原理
步进电机种类繁多，根据起工作原理可分为磁阻式（又称反应式）、永磁式和混合式（又称永磁感应子式）三种，随着自动控制技术在各个领域里应用的广泛的扩展，新型的步进电机还在不断涌现，但是不管步进电机的结构怎样翻新，品种怎样发展，还是隶属于这三种基本类型，仅由于侧重面不同而行程特殊类型的步进电机。
由于磁阻式步进电机结构简单、经久耐用，所以是目前应用最普遍的一种步进电机。这种步进电机遵循磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合原理，产生磁拉力行程扭矩，即磁阻性质的扭矩。其有点事力矩惯性比高；步进频率高；频率响应速度快；不通电时转子能自由转动；机械结构简单，寿命长；能双向旋转；有适量阻尼；正常电动机无失步区。但也存在不通电时无定位力矩，每步有振荡和过冲。
下面我们以磁阻式步进电机原理进行讲解。图1为两相步进电机的工作原理示意图，当绕组通电后，其定子产生磁场，将转子吸合到此磁极处，其通电方向顺序按照AA-BB-AA-BB四个状态周而复始进行变化。
当步距角不能满足使用需求时，一般采用细分驱动器来驱动步进电机。细分驱动器的原理是通过改变A/B相电流大小和通电方向，以改变合成磁场的夹角，从而细分为多步。
图1：步进电机原理示意图
步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用是多控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电。
一般来说驱动器要三路信号：
1） 步进脉冲信号CP：步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置和速度，也就是说每接收一个CP脉冲就驱动步进电机旋转一个步距角（细分时为一个细分步距角），CP脉冲的频率改变则同时使步进电机的转速改变，控制CP脉冲个数可使步进电机精确定位。
2） 方向电平信号DIR：方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。此端为高电平时，电机一个转向；此端为低电平时，电机为另一个转向。
3） 脱机信号FREE：当驱动器上电以后，步进电机处于锁定状态（未施加CP信号）或运行状态（施加CP信号），但用户想手动调整电机而又不想关闭驱动器电源，这是可以用到这个信号。这个信号起作用时（低电平有效），电机处于自由无力矩状态；当此信号为高电平或悬空不接时取消脱机状态。此信号可选用
三、PLC脉冲输出控制原理
PLC（Programmable Logic Controller）即可编程逻辑控制器，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
选用西门子S7-200来控制两相步进电机。S7-200 有两个PTO/PWM发生器，用以建立高速脉冲串（PTO）或脉宽调节（PWM）信号波形。一个发生器指定给数字输出点Q0.0，另一个发生器指定给数字输出点Q0.1。
表1 高速脉冲输出Q0.0控制设定
根据功能要求，我们使用输出点Q0.0作为高速脉冲输出。表1是针对高速脉冲输出口Q0.0的控制字节的功能。在控制字节中所有位的默认值均为0，如果需要脉冲输出则改变控制字节的参考值即可。根据表1，选择PTO输出，1μs，更新输出，更新周期，有以上我们对SMB67输入16#85。
四、程序设计
该程序有一下功能：在单击正转按钮后步进电机正转45°，在单击反转按钮后电动机反转45°，单击一次转动45°。停止按钮为急停保护按钮。
如图2接线图所示， PLC选择CPU222， Q0.0输出高速脉冲信号CP，Q0.2输出方向电平信号DIR。通过驱动器控制两相步进电机。
图2 接线图
表2 步进电机驱动器细分表
图3 按键控制梯形图
步进电机控制器选细分3200，按每步45°算，即每次点击按钮后PLC向控制器发送400个CP信号，周期为1000μs。
如图3所示，I0.0对应正转按钮，I0.1对应反转按钮，I0.2对应急停按钮。开始按钮和停止按钮之间有互锁控制。图4为脉冲信号输出继电器控制梯形图。对SMW68输入1000表示周期为1000μs，对SMD72输入400表示输出400个脉冲信号。然后使用高速脉冲输出指令PLS在Q0.0口输出高速脉冲信号。
图4 脉冲信号输出梯形图
按下正转按钮后，PLC输出脉冲信号，同时复位Q0.2，电机正转；按下反转按钮后，PLC输出脉冲信号，同时置位Q0.2，电机反转。该程序采用点动方式，按一下转动45°，可以有效的完成间歇性运动控制。
五、结束语
本文介绍基于西门子的S7-200型PLC的步进电机的步数控制，正反转控制，对实现精度要求不是很高的的项目有较高的性价比，完成自动化控制，也可用于数控化改造项目。
如有要求改变转速和转角，可以通过对继电器SMB68的修改，控制旋转速度，通过SMD72的修改，控制步进的度数。
该系统抗干扰能力强，运行可靠，维护量小，可以获得非常理想的效果。
参考文献：
[1]岂兴明.PLC与步进伺服快速入门与实践[M].北京:人民邮电出版社,2011,1
[2]赵景波.零基础学西门子S7-200PLC[M].北京:机械工业出版社,2010,8