PLC实现步进电动机单双轴运动控制

1、引言

步进电机由于具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，已成为运动控制领域的主要执行元件之一。步进电机是机电一体化的关键产品，广泛应用在各种自动化控制系统和机电一体化设备中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个行业的控制领域都将有广泛应用。PLC作为一种工业控制计算机，具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、PLC对步进电机也具有良好的控制能力，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，即可实现对步进电机的控制。

对于那些在运行过程中移动距离和速度均确定的具体设备，采用PLC通过驱动器来控制步进电机的运转是一种理想的技术方案。本例介绍PLC控制步进电机的方法。

2、工作原理及特性

步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的执行机构。由于受脉冲的控制，其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，通过控制脉冲数量来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的；通过改变通电顺序，从而达到改变电机旋转方向的目的。步进电机的种类很多，按结构可以分为反应式、永磁式及混合式步进电机三类，按相数分则可以分为单相、两相和多相三种。

2.1 步进电机的特点

（1）步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，电机运转一周后没有累积误差，具有良好的跟随性。

（2）由步进电机与驱动器电路组成的开环数字控制系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统。

（3）步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。

（4）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩。

（5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。

2.2 控制原则

步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”；与此类似，“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。而电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应。有了这些数据，就能有效地对步进电机进行变速控制。

采用PLC控制步进电机，应根据下式计算系统的脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量，进而选择PLC及其相应的功能模块。根据脉冲频率可以确定PLC高速脉冲输出时需要的频率，根据脉冲数量可以确定PLC的位宽。脉冲当量=（步进电机步距角×螺距）/（360×传动速比）；脉冲频率上限=（移动速度×步进电机细分数）/脉冲当量；最大脉冲数量=（移动距离×步进电机细分数）/脉冲当量。

3、PLC实现步进电机单双轴运动的控制

3.1 控制坐标系的建立

PLC对步进电机的控制首先要确立坐标系，可以设为相对坐标系，也可以设为绝对坐标系。坐标系的设置在DM6629字中，00—03位对应脉冲输出0，04—07位对应脉冲输出1。设置为0时，为相对坐标系；设置为1时，为绝对坐标系。

3.1.1 对于不带加减速的单相脉冲输出

当PLC控制坐标系设定为相对坐标系时，可以从端口0和端口1以增量的形式输出脉冲，输出脉冲的计数值，对于端口0记录在SR229、SR228通道，对于端口1记录在SR231、SR230 通道中。

如设输出脉冲数为00000100时从端口输出100个脉冲，脉冲计数值从0计到100，之后还可以继续从该端口输出脉冲，即可以增量输出脉冲。每次输出脉冲时，脉冲计数值从0开始重新计数，计满设定值为止。

当设为绝对坐标系时，输出脉冲数可以设置为正数，如00000100（相当于电机正向转动100步），也可以设置为负数，如80000100（最高位为“1”表示负数，相当于电机反向转动100步）。但由于是单相脉冲输出，须另外加方向控制信号，可以用01002等输出端做方向信号输出。

在绝对坐标系中，坐标值记录在SR229、SR228 通道（端口0）和SR231、SR230通道中（端口1）。每次输出脉冲数是脉冲设置值和当前坐标值的差，如当前坐标值为0，设置输出值为00000100，输出100个脉冲（正向输出信号有效），再设置输出值为00000100，不再输出脉冲，再设置输出值为80000100，再输出200 个脉冲（反向输出信号有效），坐标值由00000100变为80000100。

3.1.2 对于带加减速的两相脉冲输出

当设置为相对坐标系时，也可以实现增量脉冲输出。由于两相脉冲输出可以直接控制电机正反向，所以脉冲输出值可以设置为正数，也可以设置为负数，输出脉冲的计数值记录在SR229、SR228通道（端口0）中。如设置输出脉冲数为00000100，电机正向运转100步，脉冲计数值从00000000计到00000100，再设置输出脉冲数为80000100，电机反向运转100步，脉冲计数值从80000000计到80000100。

当设置为绝对坐标系时，坐标值记录在SR229、SR228 通道（端口0）中，坐标变化情况类似于单相脉冲输出，但正／反向脉冲输出或脉冲十方向输出由01000和01001两个端口配合完成。

3.2 单轴运行控制

带加减速的单轴正反转控制，带加减速单轴正反转运控制的控制接线及时序，如图1，图2 所示。图1中用两相脉冲输出CW／CCW 方式进行控制。

图1 控制接线图

图2 控制时序图

用两相脉冲输出CW/CCW方式进行控制，PLC的控制程序，如图3 所示，梯形图中设定参数有：

图3 控制梯形图

DM0010 值为0001，对应加减速率为10HZ/10ms DM0011 值为0050，对应目标频率为500HZ DM0012 值为0020，对应启动频率为200HZ

3.3 双轴运行控制

3.3.1 带正反向的二轴运动控制

双轴运动控制使用一台PLC控制两个驱动器，驱动两个步进电动机的运动。带正反向二轴运动控制的接线，如图4 所示。

图4 带正反转二轴运动控制接线图

PLC 的控制程序，如图5 所示，梯形图中01002和01003为ON时电机顺时针转动，为OFF时电机逆时针转动。

图5 带正反转二轴运动控制梯形图

3.3.2 不带正反向的二轴运动控制

不带正反向的双轴运动控制的接线的接线图，当有脉冲输出时，电机逆时针转动。这种方式和方式1的差别就是不用01002和01003作方向控制，如图6 所示。

图6 不带正反向的双轴运动控制

4、结论

通过PLC来实现步进电机的单双轴运动控制的设计，从而达到了PLC在步进电动控制中应用更加广泛。例如，在对单双轴运动的控制过程中，在控制面板上设定移动距离、速度和方向等参数。PLC读入这些设定值后，通过运算产生脉冲、方向信号，控制步进电动机驱动，达到对距离、速度、方向控制的目的。并通过实测证明系统运行结果具有可靠性、可行性、有效性。