基于PLC的步進電動機的控制

溫小鄭， 趙振， 郝豆豆， 鄢鑫

（西安郵電大學，西安 710061）

0 引言

步進電動機在非超載情況下，根據脈沖信號的頻率和脈沖數，對步進電機的轉速和啟停進行控制，而不會根據負載的變化而變化。當步進驅動器檢測到了一個脈沖信號的時候，它能夠驅動步進電動機按照之前預定好的偏向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，因而，它會以一定的角度一步一步運轉。一般能夠經過改變脈沖個數來修改角位移的量，從而使其實現準確定位的目標［2］。

PLC是在繼電器控制和計算機控制的基礎上研發出來的，其具有高可靠性和模塊化編程結構，可以廣泛應用于小批量高品質的工業控制當中，實質上，PLC是具有中央處理單元（CPU）和系統程序存儲器的，它可以將通訊技術、自動化技術、計算機技術三者融合，成為一種新型的工業控制計算機，而且針對PLC的步進電機的控制，將轉子、齒輪和電動機體綜合設計，形成閉環系統，使得應用PLC對步進電機進行控制的穩定性、可靠性均會提高［3］。

1 步進電機分類及特性

目前的市場上，步進電動機的種類有許多，一般按內部構造分為：1）反應式步進電機，一般以三相居多。2）永磁式步進電機，一般以兩相居多。3）混合式步進電機，它集成了永磁式步進電機和反應式步進電機各自的優點，而混合式步進電機又主要是分為三相和五相混合式步進電機。本設計采用的是四相步進電機，其結構如圖1所示。轉子和定子均采用硅鋼片或者其他一些軟磁材料制作而成。每個定子上都有1對繞組，共形成四相繞組，分別為A、B、C、D四相。本設計采用了西門子的S7-200（可編程序邏輯控制器），對四相反應式步進電機進行控制，通過對梯形圖的設計移位脈沖頻率，進而控制步進電機的停止、啟動、反轉、正轉、雙四拍、單四拍及八拍和步數的控制。本設計所應用的四相式步進電機，選用的是單極性直流電源。只要按照相應的時序給步進電機通電，步進電機則正常運轉。四相步進電動機的工作原理如圖1所示。

圖1 四相步進電機步進示意圖

當開始啟動時，開關SB處于導通狀態，A，C，D三相斷開，B相的磁極與轉子0、3號齒輪對齊，與此同時，轉子的1號和4號齒輪就和C相和D相繞組磁極發生錯齒，2號和5號齒輪就與D相和A相繞組磁極形成錯齒。此時如果開關SC接通電源，而SD、SA、SB三相處于斷開狀態時，由于C相的繞組磁力線跟1號和4號之間磁力線的相互作用，致使轉子轉動，此時，1號、4號齒輪和C相繞組的磁極對齊。但是0號和3號齒輪跟A、B相繞組之間會產生錯齒，而2號和5號齒輪就會跟A相和D相的繞組磁極產生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組會輪流供電，致使轉子沿著 A、B、C、D 的方向運轉。［4］

2 控制步進電機工作方式的選擇

2.1 步進電機的工作方式

1）四相單四拍：…A→B→C→D→A…

2）四相雙四拍：…AB→BC→CD→DA→AB…

3）四相八拍：…A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A…

由于通電順序的不同，可以把步進電機的運轉方式分為雙四拍、單四拍和八拍等三種工作方式。而雙四拍的轉動力矩要比單四拍的小，但是雙四拍和單四拍工作方式下的步距角是一樣的。而雙四拍和單四拍的步距角是八拍的2倍，所以，在八拍模式下工作要比在四拍模式下速度更快而且精度更高［5］。圖2是步進電動機在雙四拍、單四拍和八拍的電源脈沖通電的時序圖。

圖2 步進電機工作時序波形圖

2.2 控制原理

2.2.1 對步進電動機換相順序的控制

通電換向這一過程稱為脈沖分配。如：四相步進電機，在采取八拍的工作模式下，則每個階段各相的導通順序依次為…A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A…。同樣，四相A、B、C、D的通斷順序也應遵照通電脈沖的導通順序，按照順序依次進行。

2.2.2 控制步進電機的轉向和工作方式的選擇

當改變步進電機各相繞組的通電順序，則可以控制步進電機的轉向。所以假定給定步進電機正序的通電順序，那么步進電機則會正向轉動，假定給定了反序的通電順序，那么步進電機則會進行反向運轉，如：當步進電機以四相八拍的通電模式…A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A…運行時，電機則進行正向轉動；而繞組如果以…D→DC→C→CB→B→BA→A→AD…運行方式通電時，步進電機則進行反向運轉。所以，如果需要改變步進電機的運轉方向，可以通過改變PLC的通電順序來實現。同時也可以通過編程直接改變步進電機的運行方向，本設計對此未作深入研究。而對步進電機工作方式的選擇，由圖3，和圖5中網絡2、3、4決定，通過試驗臺上的控制開關，可以任意選擇步進電機的工作方式［6］。

2.2.3 步數控制并測量

步進電機每輸入一個電脈沖就前進一步，其輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比。因此應當以步進電機確定輸出的位移量為依據，來獲得PLC所輸出的脈沖個數，由此便可以達到對步進電機進行步數控制的目標。n=△L/δ，式中：△L為步進電機的輸出位移量，mm；δ為機構的脈沖當量，mm/脈沖。本設計的步數控制如圖5，可以改變計數器的值，測量步進電機的步數。

3 控制系統的設計

因為步進電動機擁有杰出的跟蹤性能，可以準確地跟蹤和定位步進電機的運行狀態，所以本設計采用的是開環控制系統狀態下，基于PLC的步進電機控制系統。

3.1S7-200控制系統的硬件設計

PLC實際是一種特意用于工業領域的控制計算機，本設計采用了西門子S7-200，它的結構是一個整體，具備單獨的CPU，或者是帶有一些可選擇的擴展模塊。除了CPU221主機以外，其他的CPU均可以進行系統的擴展，本程序使用CPU224XP。

步進電機一般是由電感性負載組成，由于直流電阻比較小，因此應當使用限流電阻，避免因脈沖電流過大而毀壞了步進電機。當步進電機根據D→C→B→A→D…順序依次導通或者斷開時，步進電動機則進行反轉，即步進電機可以按四相單四拍反向運行。如果步進電機每次向前轉動一步，就會使得環形脈沖分配程序的步數減一，依次直到步數減為零的時候，才會終止對環形脈沖的分配，此時則會等待下一次的脈沖輸入量。

控制部分的定位主要由PLC程序和硬件試驗臺。硬件試驗臺的連線如圖3所示。

圖3 硬件試驗臺的接線

3.2 STEP7控制系統的軟件設計

本設計采用的是西門子公司的STEP7－Micro/WIN V4.0版本，按照實驗要求，將步進電機和試驗臺按照程序編寫的控制要求連接起來。本實驗在學校試驗臺進行，其中PLC和驅動電路是組裝在一起的。硬件連線接好之后，開始編寫PLC軟件程序，實現其相應的功能。

3.2.1 程序流程圖（如圖4）

圖4 程序流程圖

開始→設置參考點→正轉啟動或者反轉啟動→首次啟動→發出移位脈沖→選擇控制單四拍、雙四拍、八拍，步數測量工作方式→移位寄存器賦初值→停止或繼續執行。

3.2.2 梯形圖設計

輸入開關由I0.0到I0.5分別控制各部分功能，輸出開關由Q0.0到Q0.3控制輸出四相的I/O接口，如表1所示。

采用移位指令進行步進控制。首先指定移位寄存器MOVEB（8位），移位寄存器的初值如表2所示。

按照四相單四拍的步進順序每左移1位，電機前進一個步距角（一拍），完成四拍后重新賦初值。而在系統運轉的過程中，M0.4，M0.5，M0.6，和 M0.7始終保持為“0”。

表1 輸入輸出地址

表2 移位寄存器初值

3.2.3 部分程序設計說明

如圖5所示，網絡2、3、4是針對步進電動機單四拍、雙四拍和八拍進行選擇。當選擇一種方式工作時，另外兩組會自動斷開。

網絡10設定了計數器指令。進行步進電機的步數測量，如圖6所示。

4 結論

圖5 工作方式的選擇

圖6 步數控制

本文通過對PLC軟件程序的設計。實現了步進電機的反轉、正轉、停止、啟動、雙四拍、單四拍、八拍以及步數等控制，由于PLC本身的功能模塊化和可視化等優點，使得程序設計更加簡潔清楚，易于觀察和修改，降低編程的出錯率，保證了系統的可靠性和穩定性，提高了步進電機自動控制開發系統的效率。同時，在每次步進電機啟動的時候，電機會向運轉方向的反方向，有小的角度的偏轉，這是在以后的工作中需要改進的地方。

目前有很多針對步進電機的控制方法，采用PLC控制步進電機，有效地克服了工作現場中電磁干擾對控制過程的影響，使步進電機運行更加可靠、便捷。同時步進電機可以清晰地觀察每一個模塊的運行狀況，這給監控提供了很大的便利。所以，在針對自動控制系統中有明確的功能化模塊的情況下，多采用PLC對步進電機進行控制，可以使系統性能更加突出且可靠。

［1］ 熊永康，李躍忠，全麗希.基于TMS320F28335的微位移步進電機控制系統設計［J］.電子技術，2014（4）:61-63，54.

［2］ 胡學林.可編程序控制器教程：基礎篇［M］.北京：電子工業出版社，2005.

［3］ 王登貴，楊中平，胡真明，等.基于PLC的四相步進電機控制方法及實現［J］.微計算機信息，2006，22（12-11）:36-37，45.

［4］ 張明.步進電機的基本原理［J］.科技信息，2007（9）:83.

［5］ 趙文忠，李及，羅輝.步進電機步距角細分的微機控制［J］.電子技術應用，1990（3）:17-19.

［6］ 丁偉雄，楊定安，宋曉光.步進電機的控制原理及其單片機控制實現［J］.煤礦機械，2005（6）:127-129.