摘 要:詳細討論步進電機的工作原理及特性和基于PLC 的運動控制技術(shù)，著重闡述了PLC 實現(xiàn)步進電機的單雙軸運動控制的方法，并通過實測證明系統(tǒng)運行結(jié)果具有可靠性、可行性、有效性。

關(guān)鍵詞：步進電機；PLC；梯形圖；驅(qū)動電路

Achievement to the motion control on of the single-two axis stepper motor based on PLC CHEN Chan-juan，XUE Kai，CHANG Mei-rong，LI Chun-yi

Abstract:It introduces the principle and characteristics of the step motor and the motion controltechnology based on PLC. The main of said that the motion control of the single- two axis Step motor basedon PLC，and measured prove that it is reliable，feasible and effective.

Key words：Step motor；PLC；Ladder diagram；Driving circuit

1 引言

步進電機由于具有轉(zhuǎn)子慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點，已成為運動控制領(lǐng)域的主要執(zhí)行元件之一。步進電機是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)和機電一體化設(shè)備中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個行業(yè)的控制領(lǐng)域都將有廣泛應(yīng)用。PLC 作為一種工業(yè)控制計算機，具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活、高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、PLC 對步進電機也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運動控制功能，即可實現(xiàn)對步進電機的控制。

對于那些在運行過程中移動距離和速度均確定的具體設(shè)備，采用PLC 通過驅(qū)動器來控制步進電機的運轉(zhuǎn)是一種理想的技術(shù)方案。本例介紹PLC 控制步進電機的方法。

2 工作原理及特性

步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的執(zhí)行機構(gòu)。由于受脈沖的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移量和速度嚴(yán)格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，通過控制脈沖數(shù)量來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的；通過改變通電順序，從而達到改變電機旋轉(zhuǎn)方向的目的。步進電機的種類很多，按結(jié)構(gòu)可以分為反應(yīng)式、永磁式及混合式步進電機三類，按相數(shù)分則可以分為單相、兩相和多相三種。

2.1 步進電機的特點

（1）步進電機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，電機運轉(zhuǎn)一周后沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。

（2）由步進電機與驅(qū)動器電路組成的開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非常可靠。同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。

（3）步進電機的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。

（4）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩。

（5）步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。

2.2 控制原則

步進電機能響應(yīng)而不失步的最高步進頻率稱為“啟動頻率”；與此類似，“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號突然關(guān)斷，步進電機不沖過目標(biāo)位置的最高步進頻率。而電機的啟動頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負載的轉(zhuǎn)動慣量相適應(yīng)。有了這些數(shù)據(jù)，就能有效地對步進電機進行變速控制。

采用PLC 控制步進電機，應(yīng)根據(jù)下式計算系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量、脈沖頻率上限和最大脈沖數(shù)量，進而選擇PLC 及其相應(yīng)的功能模塊。根據(jù)脈沖頻率可以確定PLC 高速脈沖輸出時需要的頻率，根據(jù)脈沖數(shù)量可以確定PLC 的位寬。脈沖當(dāng)量=（步進電機步距角×螺距）/（360×傳動速比）；脈沖頻率上限=（移動速度×步進電機細分?jǐn)?shù)）/脈沖當(dāng)量；最大脈沖數(shù)量=（移動距離×步進電機細分?jǐn)?shù)）/脈沖當(dāng)量。

3 PLC 實現(xiàn)步進電機單雙軸運動的控制

3.1 控制坐標(biāo)系的建立

PLC 對步進電機的控制首先要確立坐標(biāo)系，可以設(shè)為相對坐標(biāo)系，也可以設(shè)為絕對坐標(biāo)系。坐標(biāo)系的設(shè)置在DM6629 字中，00—03 位對應(yīng)脈沖輸出0，04—07 位對應(yīng)脈沖輸出1。設(shè)置為0時，為相對坐標(biāo)系；設(shè)置為1 時，為絕對坐標(biāo)系。

3.1.1 對于不帶加減速的單相脈沖輸出

當(dāng)PLC 控制坐標(biāo)系設(shè)定為相對坐標(biāo)系時，可以從端口0 和端口1 以增量的形式輸出脈沖，輸出脈沖的計數(shù)值，對于端口0記錄在SR229、SR228 通道，對于端口1 記錄在SR231、SR230 通道中。

如設(shè)輸出脈沖數(shù)為00000100 時從端口輸出100 個脈沖，脈沖計數(shù)值從0 計到100，之后還可以繼續(xù)從該端口輸出脈沖，即可以增量輸出脈沖。每次輸出脈沖時，脈沖計數(shù)值從0 開始重新計數(shù)，計滿設(shè)定值為止。 當(dāng)設(shè)為絕對坐標(biāo)系時，輸出脈沖數(shù)可以設(shè)置為正數(shù)，如00000100（相當(dāng)于電機正向轉(zhuǎn)動100 步），也可以設(shè)置為負數(shù)，如80000100（最高位為“1”表示負數(shù)，相當(dāng)于電機反向轉(zhuǎn)動100 步）。但由于是單相脈沖輸出，須另外加方向控制信號，可以用01002等輸出端做方向信號輸出。

在絕對坐標(biāo)系中，坐標(biāo)值記錄在SR229、SR228 通道（端口0）和SR231、SR230 通道中（端口1）。每次輸出脈沖數(shù)是脈沖設(shè)置值和當(dāng)前坐標(biāo)值的差，如當(dāng)前坐標(biāo)值為0，設(shè)置輸出值為00000100，輸出100 個脈沖（正向輸出信號有效），再設(shè)置輸出值為00000100，不再輸出脈沖，再設(shè)置輸出值為80000100，再輸出200 個脈沖（反向輸出信號有效），坐標(biāo)值由00000100 變?yōu)?0000100。

3.1.2

對于帶加減速的兩相脈沖輸出 當(dāng)設(shè)置為相對坐標(biāo)系時，也可以實現(xiàn)增量脈沖輸出。由于兩相脈沖輸出可以直接控制電機正反向，所以脈沖輸出值可以設(shè)置為正數(shù)，也可以設(shè)置為負數(shù)，輸出脈沖的計數(shù)值記錄在SR229、SR228 通道（端口0）中。如設(shè)置輸出脈沖數(shù)為00000100，電機正向運轉(zhuǎn)100 步，脈沖計數(shù)值從00000000 計到00000100，再設(shè)置輸出脈沖數(shù)為80000100，電機反向運轉(zhuǎn)100 步，脈沖計數(shù)值從80000000 計到80000100。 當(dāng)設(shè)置為絕對坐標(biāo)系時，坐標(biāo)值記錄在SR229、SR228 通道（端口0）中，坐標(biāo)變化情況類似于單相脈沖輸出，但正／反向脈沖輸出或脈沖十方向輸出由01000 和01001 兩個端口配合完成。

3.2 單軸運行控制

帶加減速的單軸正反轉(zhuǎn)控制，帶加減速單軸正反轉(zhuǎn)運控制的控制接線及時序，如圖1，圖2 所示。圖1 中用兩相脈沖輸出CW/CCW 方式進行控制。

用兩相脈沖輸出CW/CCW 方式進行控制，PLC 的控制程序，如圖3 所示，梯形圖中設(shè)定參數(shù)有： DM0010 值為0001，對應(yīng)加減速率為10HZ/10ms DM0011 值為0050，對應(yīng)目標(biāo)頻率為500HZ DM0012 值為0020，對應(yīng)啟動頻率為200HZ

3.3 雙軸運行控制

3.3.1 帶正反向的二軸運動控制 雙軸運動控制使用一臺PLC 控制兩個驅(qū)動器，驅(qū)動兩個步進電動機的運動。帶正反向二軸運動控制的接線，如圖4 所示。

PLC 的控制程序，如圖5 所示，梯形圖中01002 和01003 為ON 時電機順時針轉(zhuǎn)動，為OFF 時電機逆時針轉(zhuǎn)動。

3.3.2 不帶正反向的二軸運動控制

不帶正反向的雙軸運動控制的接線的接線圖，當(dāng)有脈沖輸出時，電機逆時針轉(zhuǎn)動。這種方式和方式1 的差別就是不用01002和01003 作方向控制，如圖6 所示。

4 結(jié)論

通過PLC 來實現(xiàn)步進電機的單雙軸運動控制的設(shè)計，從而達到了PLC 在步進電動控制中應(yīng)用更加廣泛。例如，在對單雙軸運動的控制過程中，在控制面板上設(shè)定移動距離、速度和方向等參數(shù)。PLC 讀入這些設(shè)定值后，通過運算產(chǎn)生脈沖、方向信號，控制步進電動機驅(qū)動，達到對距離、速度、方向控制的目的。并通過實測證明系統(tǒng)運行結(jié)果具有可靠性、可行性、有效性。

參考文獻

1 王曉明. 電動機的單片機控制［M］. 北京：北京航空航天出版社，2002

2 劉廣瑞. 用可編程序控制器驅(qū)動步進電機的方法［J］. 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2005

3 宣財鑫. PLC 脈沖控制步進電機技術(shù)［J］. 機車車輛工藝，2002

4 高欽和. 可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計［J］. 北京：人民郵電出版社，2004

5 廖常初. 可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)［J］. 重慶：重慶大學(xué)出版社，1998

6 王玉琳，王強. 步進電機的速度調(diào)節(jié)方法［M］. 電機與控制應(yīng)用，2006

7 王玉琳. 步進電動機的軟件脈沖分配［J］. 制造技術(shù)與機床，2006

8 何立軍.MCS-51 系統(tǒng)單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計［M］. 北京：人民郵電出版社，1993