試論PLC步進電動機控制的實現

王嵩

(貴州黔元隆安裝工程有限公司，貴州 貴陽 550014)

前言

在棉紡生產中步進電機有著廣泛的使用。為了棉紡產品的質量保證,要求步進電機必須迅速、準確、安全的控制完成任務。步進電機在生產過程中是機電一體化的關鍵產品，廣泛在各種電一體化設備和自動化控制系統機中應用。PLC作為一種具有模塊化結構、高速的處理速度、配置靈活、PLC對步進電機也具有良好的控制能力、精確的數據處理能力的工業控制計算機。具有可靠性高、編程方式簡單直觀、功能完善的特點。

1 工作性能及原理

步進電動機是用電脈沖信號進行控制一種的計算機，并將電脈沖信號轉換成相應的線位移或角位移的執行要塞。因為受到脈沖的控制，通過控制脈沖數量來控制角位移量以及其轉子的角位移量和速度嚴格地與輸入脈沖的數量和脈沖頻率成正比，從而達到目標準確定位。控制電機轉動的速度和加速度主要是通過控制脈沖頻率來控制的，這樣才能達到調速的目的；要想達到改變電機旋轉方向的目的，只有通過改變通電順序來實現。步進電機主要是按結構可以分為反應式、永磁式及混合式步進電機來分類的，也可以按相數分類，分別為單相、兩相和多相三種。

1.1 步進電機的優點

（1）步進電機的輸入脈沖數與角位移嚴格成正比，電機運轉一周后沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。

（2）由步驅動器電路與進電機組成的開環數字控制系統，既簡易、價廉，可靠。同時，它也可以與角度反饋環節組成高性能的閉環數字控制系統。

（3）步進電機的動態響應速度快，方便啟停、正反轉、變速。

（4）速度可與寬的范圍內平滑調節，低速下仍能保證獲得大轉矩。

1.2 步進電機的缺點

（1）步進電機只能通過脈沖電源供電才能啟用，它不能直接使用直流電源和交流電源。

1.3 步進電機的控制原則

"啟動頻率"就是步進電機能響應而不失步的最高步進頻率；與其相同，“停止頻率”是指系統控制信號突然停斷，步進電機不沖過目標位置的最高步進頻率。而電機的輸出轉矩和啟動頻率、停止頻率都要和負載的轉動慣量相適應。有了這些數據，就能有效地控制步進電機的運行變速。

PLC控制步進電機的使用，應根據下式計算系統的脈沖當量、脈沖頻率上限和最大脈沖數量，進而選擇與PLC及相應的功能模塊。根據脈沖頻率可以確定PLC高速脈沖輸出時需要的頻率，根據脈沖數量可以確定PLC的位寬。脈沖頻率上限=（移動速度×步進電機細分數）/脈沖當量；最大脈沖數量=（移動距離×步進電機細分數）/脈沖當量；脈沖當量=（步進電機步距角×螺距）/（360×傳動速比）。

2 升降速控制

在步進電機起動和停止的時候往往出現失步和過沖現象；一般情況下，要求的運行速度往往比較高，而系統的極限啟動頻率比較低；當要求步進電機從起動到大于突跳頻率的工作頻率時，變化速度必須逐漸上升；同樣，高于突跳頻率或最高工作頻率的工作頻率停止時，變化速度必須逐漸下降，因此，步進電機的運行一般要經過恒頻、升頻和降頻等過程。

實現步進電機升降速的方法分三種：

（1）直線升降速控制。這種方法節省資源、計算簡單，但是勻速和升降速不能光滑過渡，影響系統的運行壽命和質量，所以此方法適用于要求不高、處理較慢的場合。

（2）指數升降速控制。這種方法符合步進電機的固有規律，但是計算實現比較麻煩，適用于處理速度要求較高的場合。

（3）S形曲線升降速控制。這種方法根據實際升降速過程采用慢、快、慢的過程來控制步進電機，適用于要求較高和平穩的場合。

3.步進電機單雙軸運動的控制的實現

3.1 控制坐標系的建立

確立坐標系是PLC對步進電機的控制的前提，可以設為相對和絕對坐標系。坐標系的設置在DM6629字中，脈沖輸出0對應00-03位，04-07位對應脈沖輸出1。設置為0時，為相對坐標系；設置為1時，為絕對坐標系。

（1）不帶加減速的單相脈沖輸出

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

3.2 控制系統組成

步進電動機主要采用DM5654A型兩相混合式，控制器采用S7-200 CPU224，功率驅動器采用DMD402，晶體管輸出類型。S7-200CPU224 PLC的指令功能強，可靠性高，指令豐富，內置有高速計數器、RS485通信、高速輸出、MPI通信協議等功能，晶體管輸出類型有兩路20kHz的高速脈沖輸出，可以使步進電動機得到有效控制。

輸入信號的脈沖頻率決定步進電動機的轉速，并與頻率同步，要有效控制其轉速，改變脈沖信號的頻率即可。利用CPU224的PTO功能生成指定脈沖數目的方波脈沖序列。脈沖數、脈沖寬度或周期裝入相應的控制寄存器。改變脈沖周期，就可改變控制頻率，以改變步進電動機的速度：改變脈沖數量，就可改變步進電動機旋轉的角位移。方向信號由Q0.1輸出，脈沖信號由Q0.0的輸出脈沖。

PTO功能流水線方式有兩種：第一，單段流水線方式：移動距離L較小，要求步進電動機以恒定低速旋轉。第二，多段流水線方式：移動距離L較大，要求步進電動機能加速起動、恒速運行和減速到起動頻率。本控制系統選用單段流水線方式。

結論

使用 PLC可方便地實現對電動機的位置和速度進行控制，有效操作各種步進電動機，完成各種復雜多樣的工作，目前基于PLC的步進電動機控制已經廣泛地在造紙、食品、包裝以及其他輕工機械中得到應用。

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