作者介绍了应用步进电动机进行钢管留端处理的新方法，使用S7-PLC进行步进电动机控制的两种方式，同时这种思路也可以为其他钢管生产提供参考借鉴。

1.概述

随着自动化水平的不断提高，越来越多的工业场合需要精确的位置控制。位置控制的精确性主要取决于步进驱动器和运动控制器的精度。高端的运动模块可以对步进电动机系统进行非常复杂的运动控制。

2.系统说明

2.1基本控制系统

钢管外防腐的最后一道工序留端处理环节的新要求中，要把钢管两端除去一定距离的聚乙烯层，但保留环氧粉末层。为达到要求，我们在两个行进的小车上分别安装刀头用于剃除聚乙烯层，要求对小车和刀头的行进位置进行判断，以确定去除的长度和深度。使用PLC通过驱动器控制步进电动机，可以精确的控制小车及刀的位置，实现工艺要求。

2.2实现方式分析

PLC对步进电动机的控制可以通过两种方法实现。

(1)自带高速输出点控制步进电动机

高速脉冲输出功能即在PLC的指定输出点上实现脉冲输出（PTO）和脉宽调制（PWM）功能。S7-PLC配有两个PTO/PWM发处理器，它们可以产生一个高速脉冲串或者一个脉冲调制波形。一个发生器输出点是Q0.0，另一个发生器输出点是Q0.1。当Q0.0和Q0.1作为高速输出点时，其普遍输出点被禁用，而当不作为PTO/PWM发处理器时，Q0.0和Q0.1可作为普通输出点使用。

对于初学者，大多感觉利用PLC的高速输出点对步进电动机进行控制比较麻烦，特别是控制字不容易理解。西门子S7-PLC的编程软件STEP7-MicroWIN中提供了位置控制向导，利用位置向导，能方便、简单的编写程序。

位置控制模块向导在软件主菜单的“工具”——“位置控制向导”子菜单中激活，在弹出的界面中进行时间基准、电动机速度加速和减速时间、内存地址等的设置。设置完成后会生成3个子程序，PTOx_CTRL、PTOx_RUN、PTOx_MAN。

PTOx_CTRL：控制子程序，启用和初始化与步进电动机或伺服电动机合用的PTO输出，在程序中只使用一次，并且确定在每次扫描时得到执行。始终用SM0.0作为EN的输入。

PTOx_RUN：运行轮廓子程序，命令PLC执行存储于配置/轮廓表的特定轮廓中的运动操作。开启EN位会启用此子程序。

PTOx_MAN：手动模式子程序，将PTO输出置于手动模式。允许电动机启动、停止和按不同的速度运行。当PTOx_MAN子程序已启用时，任何其他PTO子程序都无法执行。

利用指令向导编写程序，程序简洁、容易编写，特别是控制步进电动机加速启动或减速停止，显得非常方便，且能很好地避开步进电动机失步。

(2)使用定位模块进行控制步进电动机

相对于集成在PLC的高速输出点，定位模块EM的功能强大，定位精度高，使用更加方便，且能弥补集成高速输出点的以下不足：

①PLC要用其高速输出点控制步进电动机，要具备两个条件，一是PLC必须要有高速输出点，二是输出点必须晶体管输出。例如继电器输出的PLC即使有高速输出点也不能控制步进电动机。

②PLC集成的高速输出点的频率不够高，以CPU为例，其最高频率只有20kHz，使用范围有限，而定位模块EM的最高频率能达到kHz。

③从示波器观测波形可以看出，定位模块高速脉冲的波形品质明显优于PLC内部集成的高速输出点，因此对于要求较高的控制系统必须使用定位模块。

综合考虑以上两种方法的优缺点，本例中，两个小车的行进距离较长，同时需要比较精确的定位，而刀头的运动距离短，在实现功能的同时节省成本，我们采用S7-PLC自带的两个高速脉冲输出点方式，通过驱动器控制步进电动机实现两个行走小车的动作，高速脉冲输出方式可以轻松实现一些简单的位置与速度控制，具有硬件要求简单、可取代EM并节省系统硬件配置等功能，此方式PLC可生成一个50％占空比脉冲串，用于步进电动机速度和位置的控制。利用定时器编写程序输出脉冲通过驱动器控制步进电动机实现两个刀头的动作，实现工艺要求。

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3.程序说明

系统分为手动和自动两部分。手动部分通过人工控制两个小车和刀头的移动，自动部分通过光电传感器和压力传感器检测小车和刀头的位置，改变脉冲输出频率控制小车和刀头的行进速度。

（1）硬件结构

本例中采用常州BYGD型和BYGE步进电动机各两个，分别用于控制两个行走小车和两个刀头，控制过程中，将步进电动机驱动器的工作模式设定在脉冲+方向下;一个西门子S7-PLC，PLC自带两个高速脉冲输出点，Q0.0和Q0.1发送脉冲信号，控制电机的转速和目标位置。Q0.2和Q0.6发送方向信号，控制电机的运动方向。Q0.5和Q1.3为手动脉冲输出点。部分符号地址如图1所示：

图1

(2)软件设计

工艺要求平台上的钢管滚动到限定位置停止后，定位油缸回落，钢管旋转装置油缸升起，将钢管升起离开平台；小车步进电动机快速进给，当小车上安装的钢管位置接近开关检测到钢管后一定时间（限位装置即将与钢管端口接触）时，步进电动机慢速行进，直至压力传感器满足设定压力值后停止转动。

当小车停止运动后，钢管开始旋转，气缸电磁阀导通，刀具与钢管表面接触，此时小车步进电动机开始运转，留端处理加工开始，直至到旋钮设定位置并配备极限限位传感器防止刀具脱位。气缸电磁阀关闭，汽缸回收，刀具离开钢管表面，操作人员检查端口处理情况，如果合格则整体回退，如果不合格，则手工进行控制车削。

在操作过程中为防止转管时由于钢管径向运动产生切削误差，设置压力传感器实时检测扭矩刀架运动小车根据扭力进行随动。

操作台上设置一个三向开关控制刀头的升降速，每扳动一次，控制刀头的脉冲输出频率变化2ms。

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S7-PLC自带输出脉冲控制块的初始化程序为：

LDSM0.0

=L60.0

LDM24.0

=L63.7

LDM24.1

=L63.6

LDL60.0

CALLPTO0_CTRL:SBR15,L63.7,L63.6,M25.0,MB23,VD

LDN小车1自动手动:I0.7

LDN小车1管接近信号:I0.1

O小车1后退按钮:I0.4

ALD

LDN小车1自动启动指示灯:Q2.2

A小车1自动手动:I0.7

LD小车1自动启动指示灯:Q2.2

AM11.5

OLD

OLD

=L60.0

//脉冲控制块使能条件

LDN小车1自动手动:I0.7

LD小车1前进按钮:I0.3

A转管油缸上限:I1.6

A转管油缸上限位右:I4.2

AN小车1管接近信号:I0.1

LDN小车1定位:I0.0

A小车1后退按钮:I0.4

OLD

ALD

LDN小车1自动启动指示灯:Q2.2

A小车1自动手动:I0.7

LD小车1自动启动指示灯:Q2.2

AM11.5

OLD

AN小车1定位:I0.0

OLD

=L63.7

LDL60.0

//脉冲控制块开始输出条件

CALLPTO0_MAN:SBR17,L63.7,,MB20,VD

//速度、错误位等初始化

利用定时器输出脉冲（速度可调）的程序为：

LDNM10.2

TONT32,#手动脉冲时间:LW0

//设定脉冲频率，单位毫秒

LDWT32,1

=#脉冲输出:L2.0

LDT32

=M10.2

//按设定频率输出脉冲

3.结论

本例中第一次将步进电动机应用在钢管防腐的留端处理环节中，通过高速脉冲输出方式对步进电动机进行控制，更加精确的实现了工艺要求。在以后的应用中可以加入触摸屏、工控机等上位设备，从而实现对步进电动机速度等更加简单、直接、方便的控制，具体很高的可扩展性。

本文编自《电气技术》，作者为王世静。

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