步進電動機速度控制系統的設計

趙光偉 張 帆 楊松立 王君普

（臨沂大學汽車學院，山東 臨沂276000）

1 設計背景

《電氣控制與PLC》 是高校電氣工程及其自動化專業的一門重要專業方向課程，主要學習工廠電氣控制的基本理論和基本技術，包括傳統的繼電接觸器控制和現代PLC 控制兩大部分,是一門實踐性很強的課程，但是現有實驗實訓設備大都很簡單，主要是實驗臺或實驗箱，再加一臺微機作為編程設備，輸入輸出信號和設備都不是實際使用的設備，只能進行模擬操作，不能進行實際的接線，所以不能體驗實際工作現場。

為此擬設計開發一套適用于電氣工程及其自動化、自動化、電氣自動化技術等專業的PLC 實驗實訓訓練裝置， 加強學生動手能力的培養。

“步進電動機速度控制系統的設計”正是為了實現這一目的。項目以步進電動機作為控制對象，以觸摸屏和數字撥碼盤作為速度輸入設備，以旋轉編碼器作為測量設備，精確調節步進電動機的轉速。

2 系統組成

系統主要由PLC、觸摸屏、步進電機、步進電機驅動器、旋轉編碼器、珠絲桿滑臺等組成。

觸摸屏除進行速度設定外，還同時顯示電動機的當前轉速，旋轉編碼器用于實時測定電動機的轉速， 并通過PLC 的PID 指令組成數字量閉環控制系統，控制步進電機驅動器驅動步進電機帶動滑臺做勻速、加速、減速的自動往返運動。步進電機的轉速可分別通過觸摸屏和撥碼盤進行設定。

3 硬件選擇

3.1 步進電機的選擇

步進電機受脈沖信號的控制。它的直線位移量或角位移量與電脈沖數成正比， 所以電動機的直線速度或轉速也與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低就可以在很大的范圍內調節電動機的轉速，并能快速起動、制動和反轉。由于電動機受脈沖控制，它的步距角和轉速大小僅與脈沖頻率有關。 它每轉一周都有固定的步數，在不失速的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。

本設計選用57BYG 系列兩相步進電機57BYG501 作為被控對象， 額定電壓為直流24V， 額定電流為0.38A， 電阻為60Ω， 電感為120mH，轉矩為34.3N/CM。 它不僅能滿足設計的要求，而且更經濟，性價比高。4 根引出線分別對應A+、A-、B+、B-。可用數字萬用表通過測量電阻判別，有示數說明是同相，否則反之。

3.2 步進電機驅動器的選擇

步進電機驅動器接受PLC 發出的脈沖信號并將其轉化為步進電動機的角位移，也就是步進驅動器每接收一個脈沖信號，就驅動步進電機旋轉一個步距角。所以步進電動機的轉速與脈沖信號的頻率成正比，控制脈沖信號的頻率，就可以對電機進行精確調速；控制步進脈沖的個數，就可以對電機進行精確定位。

步進電機驅動器的細分就是把步進電機的轉矩角進行細分，如57BYG 系列步進電機，轉矩角為0.9/1.8°，細分數為10，轉矩角就變成0.09°，也就是步進電機一步只能轉動0.09°，是原來的十分之一。 通過細分，可以提高電機的分辨率，更精確的控制步進電機的位置。

本設計選擇了一款與57BYG 系列電機相匹配的帶有細分功能的混合式步進電機驅動器SJ-2H30M5，驅動器為2 相，最大電流3A，電壓DC 24-10V，細分數2/5/10/40。

3.3 PLC 的選擇

PLC 是可編程控制器（Programmable Logic Controller）的簡稱。 它采用可編程的存儲器，用于儲存內部程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算數操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬量輸入輸出控制各種類型的機械或生產過程。

由于本控制的信號輸出方式為高頻脈沖，所以選擇晶體管輸出方式的三菱FX2N-32MT-001 型號的PLC， 有16 點輸入、16 點輸出，內置8K 容量的RAM 存儲器， 可連接輸入輸出擴展模塊和特殊功能模塊，最高輸出頻率20KHz。

3.4 觸摸屏的選擇

觸摸屏由觸摸屏控制器和觸摸檢測裝置兩部分組成。觸控屏控制器的主要功能是接收在觸摸點檢測到的觸摸信息，并將信息以坐標的形式傳送給CPU， 同時觸控屏控制器接收CPU 發來的命令并加以執行；觸摸檢測裝置一般位于顯示器的前端，主要功能是檢測并傳送用戶的觸摸位置給觸控屏控制器。 觸摸屏有三大特性，一是透明性，觸摸屏的操作界面是透明的。 二是觸摸屏是絕對坐標系統，絕對坐標系統的特點是每一次的定位都是獨立的。 三是檢測觸摸并定位，每一次的觸摸，觸摸屏都會檢測到，并對觸摸點進行坐標定位，然后進行數據處理。

本設計選用三菱F930GOT-BWD-C 型號的觸摸屏，有4.4 寸單色藍白液晶顯示器，厚度為49MM。 具有簡易的背景燈光更換，保密功能、數據傳輸功能、時鐘功能等。

3.5 旋轉編碼器的選擇

旋轉編碼器是將角位移或直線位移進行轉換的一種裝置，并以電信號的形式輸出，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。 根據讀出方式的不同，編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩類。 采用電刷輸出方式的是接觸式， 用電刷接觸導電區或絕緣區來表示代碼的狀態是 “1” 還是“0”；接收敏感元件是光敏元件或磁敏元件的是非接觸式，采用光敏元件時以透光區和不透光區來表示代碼的狀態是“1”還是“0”。

本設計選擇了歐姆龍E6A2-CW5C 型編碼器， 這是一款通用型、兩相輸出的編碼器，分辨率為200p/r,外徑φ25mm。 引出線4 根，其中黑線、白線分別對應A、B 兩相輸入，采用C251 高速計數器時，X0 對應輸入端為A 相，X1 為B 相，褐色線對應直流24V 正極，藍線對應負極。

3.6 撥碼盤、滑臺

BCD 撥碼盤由撥碼盤和接線端子組成。 每個BCD 撥碼盤有4 根導線分別表示8421，一根公共端。撥碼盤可以表示數字0-9，是非常便捷的數字量輸入設備。

本設計使用一行程為600mm 的珠絲滑臺為控制對象，用聯軸器將步進電機與滑臺珠絲桿聯接，步進電機轉動帶動滑臺做勻速、加減速的自動往返運行。 滑臺兩端安裝有兩對微動開關，一對用于自動換向，當滑塊觸碰到任意一個微動開關，自動換向；另一對用于終端保護，如果系統出現故障，不能進行換向而是繼續前行，那么滑塊只要觸碰任意一個微動開關，整個系統將斷電停止工作。 旋轉編碼器在滑臺的另一端與步進電機同軸安裝，以實時測算步進電機的轉速，并將測量的數據傳輸給PLC 進行處理，最后通過觸摸屏顯示。

4 電器布置與連接圖（圖1）

圖1

圖中輸入輸出繼電器的分配如下：X0 旋轉編碼器A 相，X1 旋轉編 碼 器B 相，X2、 X7 換 向，X3 啟 動，X4 停 止，X5 加 速，X6 停 止，X10~X13 編碼盤（高位）8421，X14~X17 編碼盤（低位）8421；Y0 脈沖輸出，Y1 方向脈沖。

PLC 上電后，通過觸摸屏按下起動按鈕，PLC 立即發出脈沖，通過輸出端口Y0 把脈沖序列傳送給步進驅動器，步進驅動器立即驅動步進電機帶動滑臺上的滑塊做勻速的自由往返運動，觸碰到滑臺兩端任意一個微動開關SQ3、SQ4 后將換向。 與此同時，與滑臺同軸連接的旋轉編碼器對電機的轉速進行測速， 并把測量的數據通過端口X0、X1傳輸給PLC，PLC 一方面進過簡單處理將電機轉速輸出給觸摸屏顯示實時速度，另一方面，進行PID 計算，調節脈沖頻率，控制電機轉速。按下加速或減速按鈕，步進電機將在接下來的5S 內做加速或減速運動。通過撥碼盤和觸摸屏可以實現電機速度的兩地控制， 在允許范圍內，輸入任意數值，步進電機就會按照輸入的轉速勻速運動。