PLC步進電機控制技術研究

黃河清

（南昌大學共青學院，江西 九江 332020）

0 引言

PLC屬于工業控制及刷機，處理更加精確，并且處理速度快，具有極高的配置靈活性，可有效發揮網絡技術、控制功能的作用。步進電機結合PLC，能夠對兩者之間的長處進行更好的發揮，并且豐富計算機模塊功能，應用性強、性價比高。所以，相關工作者應對PLC步進電機控制技術進行積極探索，促使其更好地發展和應用，發揮其在控制裝置領域中的作用[1]。

1 步進電機系統組成結構

步進電機結構主要包括驅動電源、步進電機模塊、PLC和其他相關電路設備等，UPS接口電源對系統電源供應進行控制，其能夠確保任何時間的系統安全和連續的供電工作。

1.1 PLC控制模塊

德國西門子公司生產的S7-200晶體輸出管不但可以安全穩定地運行系統，并且可以確保系統及時響應，S7-200內部安置兩個脈沖發生器，設備最大輸出脈沖20kHz，選擇供應模式存在脈沖寬輸出和脈沖串輸出兩種。基于輸出模式為PT0的前提條件下，工作人員可對機器設備出現脈沖的數量和時間進行有效控制，利用計算機實時控制脈沖程度，并且，基于輸出模式為PWM的條件下，可先對一些占空間的脈沖進行輸出，用戶依靠自己就能夠對脈沖的數量和周期進行控制。不管是哪一種脈沖輸出方式，均要通過內部輸出指令才能進行應用。

1.2 觸摸顯示屏

使用PRO-FACE作為步進電機的觸摸屏幕，通過對接PLC和PPI兩個接口，于電腦端口編程FACE軟件，并將其在PLC內部進行安裝，PLC可對之前的系統程序進行利用，利用FACE軟件對指令進行更改，使輸出變為控制，進而保證步進電機的工作狀態正常。觸摸顯示屏內部顯示以下圖標：首先，啟動界面在觸摸屏中最顯眼，對比其他圖標，占據面積最大，啟動圖標控制顯示屏的開和關，控制顯示屏的方式按照需要來進行選擇，第一種為手動，第二種為自動；其次，數據輸出界面內具有特殊的小鍵盤，只不過平常被隱藏起來，該設備可以獨立控制輸入方向和速度；再次，在顯示屏內部，具有相關裝置可以實現報警和監測功能，但最主要的還是接收信號[2]。

2 步進電機控制技術的工作原理以及特性

2.1 步進電機控制技術的工作原理

步進電機可以把電脈沖信號進行轉化，成為對應的直線位移或角位移的執行體系，通過控制電脈沖信號實施。因為電脈沖信號對步進電機進行控制，步進電機的轉子速度和角位移量會和輸入脈沖的頻率和數量嚴格地形成正比，進而在角位移數量控制中，利用脈沖數量對其進行控制，顯著提升定位的精確性。步進電機還可以利用脈沖頻率對電機轉動的加速度和速度進行有效控制，從而做到對電機轉動額實時調速。同時，還可以對通電的順序進行變化，對步進電機旋轉方向進行改變。

2.2 步進電機控制技術的特性

步進電機有著十分豐富的種類，基于此，對其按照結構進行劃分，主要包括混合式步進電機、永磁式步進電機、反應式步進電機。同時，按照步進電機的相數也可以對其進行劃分，主要為多相、兩相、單相。第一，步進電機輸入脈沖量應進行控制，和轉子角位移量的商是一定的，而且運轉七天后的步進電機不存在積累誤差，具有良好的跟隨性。第二，步進電機想要保持正常的工作狀態，應基于脈沖電源實施供電的情況下才能夠實現，并且步進電機中只能采用該電源，其他電源無法在其中發生作用。第三，運行過程中，步進電機可能會有失步和振蕩的狀況發生，想要有效避免，需要采用相應的方法處理機械負載和控制系統。第四，運行過程中步進電機能夠敏捷地進行動態響應，提升了停機和啟動的便利性，并且還能夠有效控制電機的轉動速度和旋轉方向。第五，運行過程中的步進電機會產生較大的震動和噪音，這降低了步進電機的帶慣性負載能力，所以，需要使用控制技術對步進電機的震動和噪音進行調節。因為步進電機會與驅動器電路構成開環數字控制系統，該系統具有較高的性價比，具有簡單的系統結構，并且具有較高的可靠性[3]。

3 步進電機的優缺點

在一定程度上，實現工業自動化是依靠對電機的精確控制，所以，在現代經濟和現代工業發展中，電機運動控制具有重要意義。隨著我國科技的發展以及計算機技術的進步，電機控制也得到發展，原先的轉動和停止功能已經停用，開始精準控制轉速、加速度等相關參數，根據設計者的需求，使機械結構的運動按照設想的方式進行。采用步進電機能夠滿足設計者的相關需求，還可以滿足負載需求。發送脈沖信號時，可通過微處理器實施，對電機角、線位移進行有效控制。一般情況下，我們所說的步進電機屬于結合電機驅動模塊。其處理器的脈沖信號接收到以后，就會進行角度的調節并進行固定。不同于其他類型的電機，步進電機不需要連續且直接地進行增量運動，例如直流電機，而是要求使用者逐步完成。所以，要想對角度轉動的變化進行實現，只需提供相應的脈沖信號，對步進電機準確控制。過程中，想要對電機的加速度和轉速進行調整，可以對脈沖頻率進行變化。同時，步進電機優勢眾多。第一，無刷。作為電性的無刷電機，與其他具有內部電刷裝置的電機進行比較，步進電機的可靠性更強，穩定性也更強。第二，無關負載。當步進電機的負載限制沒有被超過時，依舊能夠保持正常的運行和轉動，工作狀態正常，不會存在偏差情況。第三，無累積誤差。每一次轉動過程中，步進電機均有幾率出現誤差，但整周轉動之后，誤差累積相加等于零。第四，環境無關步距角。出廠設置上，步進電機的固定轉動角度就已經被設定，和步進電機使用中的電流大小、濕度、溫度沒有關系。第五，方便控制。步進電機控制期間，想要控制電機轉速和角度，只需要對脈沖頻率和數量進行改變。

4 PLC步進電機控制技術

4.1 控制原理

因為驅動和控制步進電機有多種方法，再加上自身具有良好的跟蹤性能和無累積誤差，步進電機大部分以開環式控制終端為控制系統。運用PLC步進電機控制技術過程中，硬件部分的組成主要包括驅動器、PLC控制器、控制面板等。控制面板利用PLC的監控通信和操作工作過程，多數使用人機交互界面，控制PLC的手段為計算機或者采用觸摸屏，發出方向以及脈沖信號，控制步進電機運行，可采用驅動器完成。驅動器選擇時應按照PLC輸出信號的極性確定。為了對電機的控制精度和運行性能進行改善，一般會選擇具有細分功能的驅動器。通過PLC控制步進電機時，保證PLC的高速脈沖輸出功能。控制可編程邏輯控制步進電機時，啟動頻率為不失步響應的最高頻率，停止頻率表示系統控制信號突然斷掉。步進電機停止和啟動頻率需要對負載轉動慣量進行適應，科學控制相關數據，對步進電機的運行進行保障，采用可編程邏輯控制器控制步進電機的運行，快速計算出脈沖頻率和脈沖量，進而對相應的功能和PLC進行選擇[4]。

4.2 程序的創建

應用PLC步進電機控制技術時應對相應的程序進行創建，一般情況下，包括以下步驟：編譯下載程序、創建應用程序、操作測試位控模塊、組態位控模塊等。想要有效控制步進電機的位置和速度，需要對EM253位控模塊實施包絡表和組態。EM253位控模塊作為對PLC的一個功能擴展，可以產生脈沖并將其運用于步進電機中，開環控制步進電機的位置和速度。組態EM253過程中，應按照控制系統的位控向導、控制要求和硬件配置的組態過程實施創建。組態內容中應包括以下部分：調整時間參數、設置手動參數、電機運行速度等。基于步進電機控制系統硬件，需要反向定位控制和正向定位控制步進電機，并且還要控制步進電機的響應速度和最小速度以及最大速度。通過PLC擴展功能模塊實施組態，不能保證大部分參數的準確性，因此在調試期間，應不斷改變參數，確保參數的最佳值。通過測試和對位控模塊組態后，可按照控制系統需求對位控子程度進行選擇，并能夠在應用程序中實現這個功能，期間需要刪除沒有使用的子程序，增加程序容量。編制程序之后，需要不斷調試參數，編譯最優的參數，最后將其下載至PLC中，完成程序的創建[5]。

4.3 實際應用以及使用效果

立足于相關研究，在可編程邏輯控制器內部對設計系統進行運用，發出高速脈沖指令，采用計數器實現步進電機的智能和手動切換，設計者通過改進可編程邏輯控制器的開環運動措施，提升了系統工作的準確性。利用德國的普洛菲斯液晶顯示屏幕，發布操作人員的日常工作指令，從而實時監控整個系統的運行。將信號反饋工序進行使用，能夠保證系統穩定、安全的運行，將微型體積變速箱加在輸出端口，因為轉速箱的功能和作用，可以讓角位移變為直線位移，滿足多種伸縮結構質量要求。研究人員將該系統進行實際運用，作為基礎支架，多次使用和測試之后，發現步進電機可將所有的實驗要求基本實現，無法控制的范圍在0.5毫米之內。

4.4 內部硬盤的工作原理

步進電機所有硬盤的組成均包括接口、磁頭控制器、控制電機、主軸、片頭等，其中所有硬件片頭均在主軸，固定在一個轉軸上，子片均為平行分布，同時子片之間需要保持一定的距離，將磁頭安置在上方，子片和磁頭之間的距離應縮小得非常微小。盡管磁頭較為微小，但是控制器在磁頭上面可對所有的磁頭運動進行控制并反轉，由于磁頭的運動，子片也會進行高速的運動旋轉，基于以上工作原理，盤片上面的磁頭可以在指定位置對相應的信息進行讀取。為了保持工作過程中磁頭的穩定狀態，在硬盤不同的情況下，還會針對實際狀況對內部磁頭實施固定，如果硬盤中的子片運行停止，或者轉速不達標，磁頭的鎖定裝置在一個指定位置固定，這就是硬盤活動過程中，響聲為什么會出現，因為響聲是內部鎖定裝置而出現的[6]。

5 結語

綜上所述，步進電機的控制系統多數為開環控制系統，基于對可編程邏輯控制器的擴展功能模塊進行有效運用，從而反饋步進電機的位置和速度，同時再對PLC控制技術的脈沖計數功能進行結合，有效閉環控制步進電機。目前，隨著社會水平的不斷提升和PLC技術的提升，步進電機功能越來越多，其指令速度也得到增強。控制步進電機過程中，僅需要使用小型PLC就可達到理想效果。PLC步進機控制技術優勢顯著，不但開發周期短，運行效率高，而且操作十分簡單，可有效控制各種步進電機系統，這對步進電機控制方面而言，具有極高的應用價值。