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摘 要：步进电机的转速、停止的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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，达到准确定位的目的，文章就PLC的步进电机控制方法进行了研究和分析。
关键词：步进电机 PLC 控制方法
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。
1步进电机的工作机理
步进电机是机电控制系统中的一种常用执行机构，主要是通过对每相线圈中的电流和顺序切换来使电机作步进式旋转。一般来说，机电控制系统中的驱动电路由脉冲信号来控制，调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速，达到调速的目的。步进电机三相六拍运行的供电方式为A—AB—B—BC—C—CA—A，每一循环换接6 次，共有6 种通电状态。当A 相通电时，转子齿1、3 和定子磁极A、A'对齐。当控制绕组A 相B 相同时通电时，转子齿2、4 受到反应转矩使转子逆时针方向转动，转子逆时针转动后，转子齿1、3 与定子磁极A、A'轴线不再重合，从而转子齿1、3 也受到一个顺时针的反应转矩，当这2 个方向相反的转矩大小相等时，电机转子停止转动。当A 相控制绕组断电而只由B 相控制绕组通电时，转子又转过一个角度使转子齿2、4 和定子磁极B、B'对齐，三相六拍运行方式两拍转过的角度刚好与三相单三拍运行方式一拍转过的角度一样，即三相六拍运行方式的步距角为15°。接下来的通电顺序为BC—C—CA—A，运行原理和步距角与前半段A—AB—B 一样，即通电方式每变换一次，转子继续按逆时针转过一个步距角。如果改变通电顺序，按A—AC—C—CB—B—BA—A 顺序通电，则步进电机顺时针一步一步转动，步距角也是15°。因此可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。由此可知，同一台步进电机，其通电方式不同，步距角可能不一样。本设计步进电机工作方式采用的是三相六拍。
2 PLC 控制系统硬件设计
2.1硬件设计
任何一个数控系统都是由硬件电路和软件程序两部分组成。硬件主要由SIEMENS S7-300 PLC中央控制器及外围电路、步进电机、控制对象构成；PLC运行于自动或手动控制方式，自动方式主要依靠预先编辑的程序按控制工艺要求顺序执行任务，手动控制主要用于特殊控制要求的设备或精度较低的加工设备；PLC通过输入、输出接口与设备相连；隔离电路采用光电耦合器实现；驱动电路是功率放大单元，采用弱电信号来控制强电回路。以上硬件是控制系统的基础，其控制性能的好坏直接影响整个系统的工作可靠性。对于数控设备的运行控制包括：主轴的正转、反转、急停；横向、纵向的给进运动并在切换点自动改变4个工位。控制原理利用了微机的适时采集与处理特性，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现被控对象的纵向、横向给进运动。
2.2电机升降速设计
步进电机的控制非常简单，从理论上说，只需给驱动器脉冲信号即可，但实际上，如果CP信号变化太快，步进电机由于惯性将跟随不上电信号的变化就会产生堵转和丢步现象，所以步进电机在启停时，必须有升降速过程。一般来说，升速和降速过程规律相同，现以升速为例作一介绍。升速过程由突跳频率加升速曲线组成，突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率，此频率不可太大，否则也会产生堵转和丢步。日常工作中，用户需根据自己的负载经过多次试机才能选到合适的突跳频率和升降速曲线，很是麻烦。因此，我们需要进行数控系统软件设计的研究，使步进电机的运行速度不超过突跳频率，以解决升降速问题。
3 PLC控制步进电机的方法
对于环形脉冲分配器和功率放大器的功能则对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC最好是具有实时刷新功能的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高。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。应该指出的是采用继电器或可控硅做输出端口的PLC，既使软件环形脉冲分配能达到调整要求，但由于输出端口器件难以高速导通和判断直流电源，不能向步进电机各相绕组提供驱动脉冲电流，故不能用于步进电机的PLC直接控制。应该注意的是，当PLC的输出为晶体管时，阻断状态也有漏电流通过，为了避免对负载的影响，可并联电阻R，把漏电流I减小为I。
对PLC来说，要Y0端产生脉冲，就是要Y0不断的导通、截止。当Y0导通时，5V直流电源的正极通过CP+，经过驱动器内部电子电路到CP-，通过R接到Y0，经过PLC输出端的COM，再回到5V直流电源的负极，这样就构成了一个回路。这时，驱动器内部得到一个高电频，我们用“1”表示。当Y0截止时，这时回路不能导通，驱动器内部得到一个低电频，我们用“0”表示。这样，驱动器的环形分配器接收到这样一个脉冲信号，再对脉冲信号进行分配，控制步进电机的每一相绕组依次得电。在这里我们借助了5V的直流电源，来使步进驱动器这边得到一个脉冲的电流。这个控制电压一般在DC 5V-24V之间。其中R是限流电阻，一般驱动器的脉冲电流在10MA左右，R值选择2K左右。反向信号、脱机信号的输入电路和上述的脉冲信号输入电路原理相同。
4 结束语
通过电机升降速控制方法的设计，最大限度地屏蔽了堵转和丢脉冲现象的发生，保证调速的正确性，具有较好的实用价值。通过数控系统的成功实施可看出：对于我国目前使用的伺服控制类设备的操控，采用PLC 作为中央处理单元进行数字化处理无疑是一种较理想的选择，不仅减少了设计工作量，而且缩短了开发周期、节约了开发费用。
参考文献：
[1]高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例[M].人民邮电出版社，2012
[2]王淑英.电器控制与PLC 控制技术[M].北京：机械工业出版社，2011
关键词：步进电机 PLC 控制方法
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。人们早在20世纪20年代就开始使用这种电机。随着嵌入式系统的日益流行，步进电机的使用也开始暴增。
1步进电机的工作机理
步进电机是机电控制系统中的一种常用执行机构，主要是通过对每相线圈中的电流和顺序切换来使电机作步进式旋转。一般来说，机电控制系统中的驱动电路由脉冲信号来控制，调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速，达到调速的目的。步进电机三相六拍运行的供电方式为A—AB—B—BC—C—CA—A，每一循环换接6 次，共有6 种通电状态。当A 相通电时，转子齿1、3 和定子磁极A、A'对齐。当控制绕组A 相B 相同时通电时，转子齿2、4 受到反应转矩使转子逆时针方向转动，转子逆时针转动后，转子齿1、3 与定子磁极A、A'轴线不再重合，从而转子齿1、3 也受到一个顺时针的反应转矩，当这2 个方向相反的转矩大小相等时，电机转子停止转动。当A 相控制绕组断电而只由B 相控制绕组通电时，转子又转过一个角度使转子齿2、4 和定子磁极B、B'对齐，三相六拍运行方式两拍转过的角度刚好与三相单三拍运行方式一拍转过的角度一样，即三相六拍运行方式的步距角为15°。接下来的通电顺序为BC—C—CA—A，运行原理和步距角与前半段A—AB—B 一样，即通电方式每变换一次，转子继续按逆时针转过一个步距角。如果改变通电顺序，按A—AC—C—CB—B—BA—A 顺序通电，则步进电机顺时针一步一步转动，步距角也是15°。因此可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。由此可知，同一台步进电机，其通电方式不同，步距角可能不一样。本设计步进电机工作方式采用的是三相六拍。
2 PLC 控制系统硬件设计
2.1硬件设计
任何一个数控系统都是由硬件电路和软件程序两部分组成。硬件主要由SIEMENS S7-300 PLC中央控制器及外围电路、步进电机、控制对象构成；PLC运行于自动或手动控制方式，自动方式主要依靠预先编辑的程序按控制工艺要求顺序执行任务，手动控制主要用于特殊控制要求的设备或精度较低的加工设备；PLC通过输入、输出接口与设备相连；隔离电路采用光电耦合器实现；驱动电路是功率放大单元，采用弱电信号来控制强电回路。以上硬件是控制系统的基础，其控制性能的好坏直接影响整个系统的工作可靠性。对于数控设备的运行控制包括：主轴的正转、反转、急停；横向、纵向的给进运动并在切换点自动改变4个工位。控制原理利用了微机的适时采集与处理特性，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现被控对象的纵向、横向给进运动。
2.2电机升降速设计
步进电机的控制非常简单，从理论上说，只需给驱动器脉冲信号即可，但实际上，如果CP信号变化太快，步进电机由于惯性将跟随不上电信号的变化就会产生堵转和丢步现象，所以步进电机在启停时，必须有升降速过程。一般来说，升速和降速过程规律相同，现以升速为例作一介绍。升速过程由突跳频率加升速曲线组成，突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率，此频率不可太大，否则也会产生堵转和丢步。日常工作中，用户需根据自己的负载经过多次试机才能选到合适的突跳频率和升降速曲线，很是麻烦。因此，我们需要进行数控系统软件设计的研究，使步进电机的运行速度不超过突跳频率，以解决升降速问题。
3 PLC控制步进电机的方法
对于环形脉冲分配器和功率放大器的功能则对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC最好是具有实时刷新功能的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高。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。应该指出的是采用继电器或可控硅做输出端口的PLC，既使软件环形脉冲分配能达到调整要求，但由于输出端口器件难以高速导通和判断直流电源，不能向步进电机各相绕组提供驱动脉冲电流，故不能用于步进电机的PLC直接控制。应该注意的是，当PLC的输出为晶体管时，阻断状态也有漏电流通过，为了避免对负载的影响，可并联电阻R，把漏电流I减小为I。
对PLC来说，要Y0端产生脉冲，就是要Y0不断的导通、截止。当Y0导通时，5V直流电源的正极通过CP+，经过驱动器内部电子电路到CP-，通过R接到Y0，经过PLC输出端的COM，再回到5V直流电源的负极，这样就构成了一个回路。这时，驱动器内部得到一个高电频，我们用“1”表示。当Y0截止时，这时回路不能导通，驱动器内部得到一个低电频，我们用“0”表示。这样，驱动器的环形分配器接收到这样一个脉冲信号，再对脉冲信号进行分配，控制步进电机的每一相绕组依次得电。在这里我们借助了5V的直流电源，来使步进驱动器这边得到一个脉冲的电流。这个控制电压一般在DC 5V-24V之间。其中R是限流电阻，一般驱动器的脉冲电流在10MA左右，R值选择2K左右。反向信号、脱机信号的输入电路和上述的脉冲信号输入电路原理相同。
4 结束语
通过电机升降速控制方法的设计，最大限度地屏蔽了堵转和丢脉冲现象的发生，保证调速的正确性，具有较好的实用价值。通过数控系统的成功实施可看出：对于我国目前使用的伺服控制类设备的操控，采用PLC 作为中央处理单元进行数字化处理无疑是一种较理想的选择，不仅减少了设计工作量，而且缩短了开发周期、节约了开发费用。
参考文献：
[1]高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例[M].人民邮电出版社，2012
[2]王淑英.电器控制与PLC 控制技术[M].北京：机械工业出版社，2011