任务6.1 S7-1200 PLC脉冲控制步进位置

S7-1200PLC脉冲控制步进位置任务引入本任务旨在通过西门子S7-1200PLC的脉冲输出功能，实现对步进电动机的精确位置控制。我们将聚焦于工业现场的实际需求，以典型的“磨线电动机控制”应用场景为核心案例，系统学习并实践步进控制系统从硬件选型、程序编写到现场调试的完整流程。步进电机凭借其高精度定位、成本可控、控制逻辑简单且响应速度快的技术优势，在现代工业领域占据了重要地位，广泛应用于自动化生产线的物料传输、数控机床的精密进给、工业机器人的关节驱动以及各类精密仪器的位置调节等场景，是实现机电一体化精准控制的关键执行元件。任务背景与应用场景本次任务的核心是实现加工台的自动往复运动控制，核心驱动元件选用步进电动机，需结合PLC逻辑控制与HMI人机交互完成整体功能构建。（1）人机交互与参数配置：组态HMI界面，设置回原点、点动、启动、停止等控制按钮，配置速度、目标位置等参数IO域，实现参数灵活设定。（2）手动控制功能：支持步进电机点动正反转操作，便于设备调试与初始位置校准，确保加工台定位精准。（3）自动运行流程：系统先执行回原点动作，启动后正转至指定位置停留2秒，再反转回归原点，同时配置状态指示灯实时反馈系统运行状态。HMI控制与监控交互界面任务引入任务目标任务目标（1）步进电动机认知：深入了解步进电动机的基本结构组成，掌握其电磁转换与脉冲驱动的核心工作原理，建立电机运转的基础认知。（2）关键参数理解：熟练掌握步距角、相数、保持扭矩等核心参数定义，明确各参数对电机性能的影响及实际工程中的选型依据。（3）驱动器原理与设置：解析步进驱动器内部电路组成与端子功能，理解细分设置和电流调节的原理，掌握参数配置对电机运行精度与稳定性的作用。1.知识目标任务目标2.能力目标（1）资料查阅与选型：能查阅步进电机与驱动器手册获取参数，依据实际应用需求精准完成设备选型，夯实项目实施基础。（2）硬件实操与配置：可独立完成步进驱动器安装接线，根据电机参数正确设置细分、电流等核心参数，保障硬件适配性。（3）软件组态与调试：在TIAPortal中完成PTO配置及“轴”工艺对象组态，编写PLC控制程序并开展在线调试与优化，实现精准运动控制。任务目标3.素质目标（1）爱国情怀与工匠精神：深入了解我国步进电机产业的发展历程与技术突破，厚植爱国情怀，将个人发展融入行业进步，坚定科技报国、实业强国的决心。（2）职业素养养成：严格遵守行业操作规范与技术标准，积极践行5S现场管理理念，养成规范作业、精益求精、注重细节的良好职业行为习惯。（3）科学精神培养：在实践探究中锤炼严谨求实的科学态度，勇于探索技术难题，同时强化团队协作意识，培养协同攻关、开拓创新的综合科学素养。任务准备01步进电动机结构和原理解析步进电机的工作原理、分类结构及运行特性，掌握其作为执行元件的核心逻辑。02步进驱动器基础深入了解驱动器的细分技术、供电方式与控制信号接口，建立驱控系统的整体认知。03设备选型原则依据负载扭矩、转速需求与精度指标，制定科学的电机与驱动器匹配选型方案。04关键参数配置学习电流、细分、脉冲当量等核心参数的设定方法，确保设备运行在最佳工况。反应式步进电动机与普通电动机一样，主要由定子（绕组、定子铁芯）、转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承）、前后端盖等组成。一、步进电动机的结构与原理1.步进电动机结构最典型两相混合式步进电动机的定子有8个大齿，40个小齿，转子有50个小齿；三相电动机的定子有9个大齿，45个小齿，转子有50个小齿。图6-2所示是一典型的单定子、径向分相、反应式步进电动机的结构原理图。定子铁心由硅钢片叠压而成，定子绕组是绕置在定子铁心六个均匀分布的齿上的线圈，在径向上相对的两个齿上的线圈串联在一起，构成一相控制绕组。构成A、B、C三相控制绕组，故称三相步进电动机。1.步进电动机结构定子和转子的齿数不相等，产生了错齿，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距，即3°1.步进电动机结构A、B、C相定子绕组通电形成磁场。三相反应式步进电动机通电方式：三相单三拍；三相双三拍；三相单、双六拍“相”指定子绕组的对数。“拍”指控制绕组改变一次通电状态称为一拍。步距角指每一拍转子转过的角度。1.步进电动机原理1.步进电动机原理定子通电顺序：A→B→C→A转子旋转方向：逆时针步距角：1.步进电动机原理定子通电顺序：A→C→B→A转子旋转方向：顺时针步距角：定子通电顺序：

AB→BC→CA→AB转子旋转方向：逆时针步距角：定子通电顺序：

BA→AC→CB→BA转子旋转方向：顺时针步距角：定子通电顺序：

A→AB→B→BC→C→CA→A转子旋转方向：逆时针步距角：定子通电顺序：

A→AC→C→CB→B→BA→A转子旋转方向：顺时针步距角：（1）步距角--控制系统每发一个步进脉冲，步进电机所转动的角度。式中

—固有步距角；m—拍数；Z—转子齿数；Nr—转子齿数。（2）相数--步进电动机的相数是指电动机内部的线圈组数，或者说产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。步进电动机参数、分类与选型1.步进电动机参数（3）拍数--完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用

K表示，或指电动机转过一个齿距角所需脉冲数。以四相电动机为例，有四相四拍运行方式，即AB-BC-CD-DA-AB。（4）保持转矩--保持转矩是指步进电动机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。比如，常说2N·m的步进电动机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N·m的步进电动机。（3）拍数--完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用

K表示，或指电动机转过一个齿距角所需脉冲数。以四相电动机为例，有四相四拍运行方式，即AB-BC-CD-DA-AB。（4）保持转矩--保持转矩是指步进电动机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。比如，常说2N·m的步进电动机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N·m的步进电动机。按照励磁方式的不同，步进电动机可分为反应式、永磁式和混合式三类。按照定子上绕组来分，可分为二相、三相和五相等系列。两相混合式步进电动机由于其性价比高、配上细分驱动器后效果良好，最受市场受欢迎。2.步进电动机分类对于步进电动机的选型，首先确定驱动机械机构，并根据驱动结构运动要求，确定运动曲线，包括运动速度、加减速时间等，然后再计算负荷扭矩、负荷惯量、电动机启动扭矩、必须扭矩等，最后根据这些参数对照电动机手册选择合适的电动机，并根据备选电动机进行验算，判定选型电动机是否满足要求。3.步进电动机选型两相步进电动机常用的有6线和8线，不同线圈的接法电动机性能有相当大的差别。步进电动机接线雷赛DM542V3.0步进驱动器其内部电路主要由脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路、环形分配器和功率放大器部分组成。步进电动机驱动器原理步进驱动器是连接控制器与步进电机的关键枢纽，核心功能是接收PLC输出的脉冲和方向弱电信号，将其转换为驱动电机运转的大功率电流信号。其内部核心包含环形分配器（负责脉冲信号的逻辑分配）与功率放大器（将弱电信号放大为强电驱动信号），为电机提供稳定可靠的动力源。步进驱动器端子与接线雷赛DM542V3.0步进电动机驱动器主电路端子定义。雷赛DM542V3.0步进电动机驱动器控制端口端子定义。01核心输入信号解析脉冲信号(PUL/PLS)决定电机的转速与运行位置，是控制精度的关键；方向信号(DIR)用于切换电机的正反转逻辑；使能信号(ENA)则是驱动器的“开关”，有效时驱动器输出力矩，无效时电机处于自由状态。02关键接线方式选择共阳极接法为高电平有效，需接入外部电源正极；共阴极接法为低电平有效，完美适配S7-1200DC/DC/DC型PLC的源型输出特性，是工业现场最常用的接线方案，能有效减少干扰，提升信号稳定性。控制器与驱动器典型接线。①细分设置：将电机一个固有步距角再细分成若干小步，核心作用是显著提高电机运行的定位精度，同时有效减小振动与噪音。该参数通常通过驱动器面板上的拨码开关进行档位配置。②电流设定：包含动态电流与静态电流两类关键参数。动态电流决定电机运行时的输出扭矩，需匹配电机额定值；静态电流为电机静止时的保持电流，合理调低可大幅降低驱动器与电机的发热损耗。拨码开关功能解析：图示为步进驱动器典型的16位拨码开关布局，SW1-SW8与SW9-SW16分别管控电流配置、细分精度、滤波设置及报警阈值等核心参数，是实现驱动器精准适配电机的关键操作部件。步进驱动器的电流设定和细分设置①细分设置：将电机一个固有步距角再细分成若干小步，核心作用是显著提高电机运行的定位精度，同时有效减小振动与噪音。该参数通常通过驱动器面板上的拨码开关进行档位配置。②电流设定：包含动态电流与静态电流两类关键参数。动态电流决定电机运行时的输出扭矩，需匹配电机额定值；静态电流为电机静止时的保持电流，合理调低可大幅降低驱动器与电机的发热损耗。任务实施根据任务要求，每组配备配电盘或试验台；西门子CPU1214CDC/DC/DC的PLC1台、S步进驱动器1台、步进电机1台、网线3根、传感器若干、通用电工工具1套。请同学们根据任务和实训设备情况采用扑克牌分组法分组，完成下表。组名

小组LOGO

组训

团队成员学号

角色

职责

分工计划表设备选型与步进驱动器参数设置步进电动机的选择主要考虑电动机的功率和步距角。电动机的功率要求能拖动负载，本项目中，拖动机械手的功率决定于电动机的工作电流，工作电流越大，功率越大。根据实训设备配备的步进电动机，对照步进电动机实物，查阅产品手册完成步进电动机技术参数表。步进电动机技术参数表参数大小（范围）步距角（°）

相电流（A）

保持扭矩（N·m）

阻尼扭矩（N·m）

相电阻（Ω）

相电感

（mH）

电动机惯量（kg.cm²）

引线数量（线）

绝缘等级（代码）

耐压等级（V）

最大轴向负载（N）

最大径向负载（N）

工作环境温度（℃）

表面温升（℃）

绝缘阻抗

(MΩ)

空载启动频率（Hz）请同学们对照步进驱动器实物，参考手册，认识驱动器端口，将步进驱动器细分设置为10000步/转，功能选择自动半流，均值电流设置为2.0A。完成后，对照任务评价表，进行自评和互评。设备选型与步进参数设置评分点配分评分标准自评得分互评得分设备选型与步进参数设置10选型正确，步进电动机技术参数表填写正确；步进驱动器细分和电流设置正确。每错1处，扣1分

根据项目要求，请自行设计绘制电气接线图和元器件布置图等。采用西门子S7-1200CPU1214CDC/DC/DC晶体管源型输出PLC，与步进驱动器采用共阴接法，选用Q0.0作为高速脉冲输出，Q0.1作为方向信号输出，I/O分配如表所示，参考电气图如图所示。电气图设计与绘制表

转盘料台的步进运动控制的I/O分配输入输出输入继电器输入元件作用输出继电器输入元件作用I0.0B1原点检测Q0.0PLS+脉冲I0.1SQ1左限位Q0.1DIR+方向I0.2SQ2右限位

转盘料台的步进运动控制系统接线图（1）配置PTO在TIAPortal软件中添加S7-1200PLC，在设备视图中双击CPU，进入CPU“属性”→“常规”，选择“PTO1/PWM1”，勾选“启动该脉冲发生器”选项，可以给脉冲发生器起一个名称，也可以采用默认的名称“Pulse_1”，可以对该脉冲发生器添加注释，如图所示。PLC编程与调试（1）配置PTO1）“脉冲选项”中，PTO脉冲输出有四种方式，根据驱动器类型进行选择。这里选择比较常见的“脉冲A和方向B”方式，其中脉冲A用来产生高速脉冲，脉冲B用来控制轴运动的方向。2）脉冲输出：根据实际配置脉冲输出点，本任务选择Q0.0为脉冲输出点。（2）组态“轴”工艺对象组态完脉冲发生器后，需要组态“轴”工艺对象。1）参考项目5任务2“图5-23添加工艺对象”，添加工艺对象。2）参考项目5任务2“图5-24基本参数-常规”，驱动器选择“PTO”。组态轴工艺对象基本参数—驱动器。在驱动器组态窗口对驱动器硬件接口、驱动装置使能信号的输出以及驱动器准备就绪反馈信号的输入进行配置，如图所示。（2）组态“轴”工艺对象①选择脉冲发生器：选择前面图配置的脉冲发生器PTO（Pulse_1）。②信号类型：有4种，本项目选择“PTO（脉冲A和方向B）”。③脉冲输出：如果在硬件组态中配置了脉冲发生器，这里显示的就是已经组态的Q0.0。④激活方向输出：是否使能方向控制位，本任务选择激活。（2）组态“轴”工艺对象⑤方向输出：如果在硬件组态中配置了脉冲发生器，这里显示的就是已经组态的Q0.1。⑥设备组态：单击按钮可以跳转到的“设备视图”，方便用户回到CPU设备属性修改组态如图。（2）组态“轴”工艺对象⑦使能输出：步进或者伺服驱动器一般都需要一个使能信号，这个使能信号由运动控制指令“MC_Power”控制，其作用是让驱动器处于启动状态。用户可以在这里组态一个DO点作为驱动器的使能信号，通知驱动器PLC已经准备就绪。当然，也可以不配置使能信号，由其他方式使能，本项目设置为空。注意：步进驱动器一般低电平使能，端子经常悬空。（2）组态“轴”工艺对象⑧就绪输入：驱动器准备就绪后发出一个信号到PLC的输入端，通知PLC驱动器已经准备就绪。这时，在“就绪输入”下面空白处可以选择一个DI点作为PLC的输入信号；如果驱动器不包含此类型的接口，则无需组态。3）参考项目5任务2图5-27到图5-32，结合实际设备情况组态扩展参数。（2）组态“轴”工艺对象⑧就绪输入：驱动器准备就绪后发出一个信号到PLC的输入端，通知PLC驱动器已经准备就绪。这时，在“就绪输入”下面空白处可以选择一个DI点作为PLC的输入信号；如果驱动器不包含此类型的接口，则无需组态。3）参考项目5任务2图5-27到图5-32，结合实际设备情况组态扩展参数。06-03-脉冲控制步进的PLC配置视频（3）应用运动轴指令编程将TIAPortal软件右侧“指令”-“工艺”-“MotionControl”指令文件夹的指令，使用拖拽或者双击的方式在程序段中插入运动控制指令。用顺序控制的思路编写PLC程序。将编写好的程序下载到PLC，按照控制要求，在监控状态下测试工作台使能、点动、回原点、轴的移动距离及速度设置等功能。调试完成，按照下表中评分标准进行小组自评和互评。PLC编程调试评分表评分点配分评分标准自评得分互评得分PLC编制与调试20能够实现步进电动机的回原点、点动正转、点动反转、启动、停止、设置速度、位置等。不能实现或错误1处扣3分

HMI组态与调试06-04-脉冲控制步进的PLC编程、HMI组态与调试组态HMI程序，下载到HMI，运行调试。按照下表中评分标准进行小组自评和互评。

HMI组态调试评分表评分点配分评分标准自评得分互评得分HMI组态与调试10能够实现