淺析步進電機的PLC控制技術

范俊

摘 要：可編程邏輯控制器，又稱“PLC控制系統”，是一種數字運算操作的電子系統，是為了實現工業環境下的控制而設計的。它可以代替繼電器等完成邏輯運算、順序控制和定時計算，并且可以通過數字或模擬信號輸出的形式實現工業控制。其與微型電腦的控制系統類似，在工程應用中發揮著十分重要的作用。

關鍵詞：步進電機；PLC控制；工業控制；驅動模塊

中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.142

步進電機的運行需要對應的步進電機驅動模塊驅動，將微處理器發出的微弱脈沖信號進行信號放大，使步進電機能夠識別。步進電機的運轉速度由微處理器提供的脈沖信號直接控制，因此，只需調節未處理輸出的脈沖信號頻率就可以實現步進電機的準確控制。根據脈沖信號的數量，可以準確轉動精確的角位移，通過少量脈沖信號控制的方式可以實現電機的啟動、停止和反向運轉操作。由于其具有易于操作且控制精度高的特點，被各行各業廣泛使用。

可編程控制器（Programmable Logic Controller）是現代工業控制中新一代的控制系統，其具有操作界面簡單易懂、易于上手、可操作性強等優點。利用可編程控制系統可以準確地控制步進電機的轉動角度和速度，其脈沖信號既可以由軟件直接獲得，也可以通過相應的硬件系統產生。本文將分析通過硬件系統產生脈沖信號的方式，驅動步進電機的運轉，實現步進電機角度的準確旋轉。

1 步進電機的優缺點

工業自動化的實現在很大程度上依賴于電機的精確控制，因此，電機的運動控制對現代工業與經濟發展起著重要的推動作用。隨著科學技術與微電子技術的高速發展，電機的控制已經脫離簡單的轉動與停止功能，而轉變為對轉速、轉角、加速度等精確參數的準確控制，使得被控制的機械結構能夠根據設計者要求的方式運動。

步進電機正好能滿足設計者對機械結構的設計要求，滿足一定的負載要求。使用者可以通過微處理器發送脈沖信號控制電機進行角位移或線位移。通常，我們所介紹的步進電機是步進電機與相對應的電機驅動模塊的結合。當接收到來自處理器的脈沖信號后，就轉動一個固定大小的角度。步進電機不像其他類電機，比如直流電機那樣，直接且連續地做增量轉動，而是逐步完成使用者的要求。因此，要實現轉動角度的變化，只需要提供相應的脈沖信號，就可以準確地控制。在控制的過程中，可以通過改變脈沖的產生頻率調整電機的轉速和加速度。除此之外，步進電機還具有以下多個優點：①無刷。步進電機是典型的無刷電機，相比其他的內部含有電刷裝置的電機而言，其轉動時更加穩定和可靠。②與負載無關。在沒有超過負載限制時，步進電機的運行和轉動完全不受到影響，不會有轉角與轉速的偏差。③無累積誤差。盡管步進電機每一步的轉動可能存在一定的角度誤差，但當電機轉動一整周之后，其累計誤差總和為零。④步距角與環境無關。步進電機的固定轉動角度是由電機出廠設置所決定的，與使用過程中的溫度、濕度或者電流大小無關。⑤易于控制。在控制過程中，只要改變脈沖的數量與頻率就可以實現電機的角度確定與轉速控制。

2 步進電機的控制系統

步進電機的工作原理是將數字/模擬信號轉化為角度或者位移的變化量，它是一種單項數據轉化元器件。當步進電機獲取到來自中央處理的模擬信號輸出滯后時，驅動電機執行相應次數的轉動，滿足系統設定的角度變化值，符合生產時的相序規定，并且有脈沖信號的傳輸，則步進電機可以由步進電機驅動裝置直接控制運轉。目前，我們通常使用的步進電機共有3種，即反應式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet，PM）和混合式（Hybrid Stepping，HS）。對于可編程控制器的選擇，本文采用國產無錫信捷XCC-32T，其具有以下幾個優點：①運算速度比以前的處理系統更快。與上一代XC系列相比，運算速度加快了3倍多。②信號輸出口更豐富。最多可支持5路IO口共同輸出，頻率也比上一代產品更高。③擁有豐富的外設?？梢栽谕獠刻砑痈鞣N參數模塊，實現軟件編寫者需要實現的功能。④兼容性更強。能兼容上一代XC系列的產品。⑤支持多種運算方式?？梢杂肞ID等控制算法進行算法優化，實現步進電機的精確控制。

步進電機軟硬件結合的方式使得無論是軟件電路，還是硬件電路的設計都十分重要。因此，最基礎的步進電機的硬件電路直接決定了整個系統能否按照設計者的設計思路轉動。特別值得注意的是，無論是在同一個主程序流程中，還是子程序中，也無論脈沖指令是否相同，程序設計方法的實現都不能對同一個輸出Y編寫2條或2條以上的脈沖輸出指令。在進行多脈沖指令的執行過程中，有以下3種方法：①書寫多個流程或子程序，但每個流程或子程序中都有且只有一條同一端口輸出的脈沖指令。②在主程序中只書寫一條脈沖指令，相關數據全部為寄存器。當使用時，提前修改好相關參數的值，再導通脈沖的前提條件。當然，前提是多處需要使用的是同一條脈沖輸出指令。③通過順序功能塊BLOCK，其原則是支持多條脈沖的。

3 結束語

通過可編程控制系統可以精確地控制步進電機的轉速與角位移變化量，穩定地實現電機的各種轉動要求，實現復雜工程的重復運轉。作為現代化工業設備中重要的自動化系統，可編程控制系統被廣泛應用于工業零件制作及零食、包裝加工行業中。可編程控制系統對步進電機的精確控制分析，有助于推動現代化自動控制系統的發展。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕