步进电机的PLC控制系统

东华理工大学 机械与电子工程学院 万智辉 余宏涛

步进电机的PLC控制系统

东华理工大学 机械与电子工程学院 万智辉 余宏涛

采用PLC控制步进电机，其控制电路简单、软件编程方便。可以使系统简化，工作可靠，而且可以获得较高的控制精度。

步进电机 PLC 逻辑控制

引言

步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的角位移与输入脉冲个数成正比，其转速与脉冲频率成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。步进电机由于具有转子质量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，已成为运动控制领域的主要执行元件之一。步进电机是机电一体化的关键产品，广泛应用在各种自动化控制系统和机电一体化设备中。PLC是适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高的新一代通用工业控制装置，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，即可实现对步进电机的控制，且能够完成较精确的位置控制。

一、控制原理

步进电机两个相邻磁极之间有一个夹角如图1。线圈绕过相对的两个磁极，构成一相（如A-A，B-B，C-C）。磁极上有若干个均匀分布的矩形小齿，转子上没有绕组，而有更多个小齿均匀分布在其圆周上，且相邻两个齿之间有更小的夹角。当某组绕组通电时，相应的两个磁极就分别形成N-S极，产生磁场，并与转子形成磁路。如果这时定子的小齿与转子没有对齐，则在磁场的作用下转子将转动一定的角度，使转子齿与定子齿对齐，从而使步进电机向前“走”一步。PLC按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。

二、PLC直接控制

利用PLC控制步进电机，现代控制系统中，PLC作为广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。为了配合步进电机的控制，许多PLC都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行直接控制，如图2。这种控制方式的优点是：大大减少系统设计的工作量，不存在各部分接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。整个控制系统由PLC和步进电机组成其脉冲分配可以由软件实现，也可由硬件组成。

图1

图2

三、PLC的软件逻辑控制

以PLC控制步进电机在机械系统中的应用为实例，说明其软件控制过程。如图3所示：

一般机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用PLC控制的数控滑台由PLC、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成，见图3所示。

图3

欲控制滑台的运动即控制步进电机的输入脉冲总数和脉冲频率，在控制软件上只要设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器。由于工作台的移动速度较慢，可以利用PLC中的定时器进行低频脉冲控制。可编制程序如下：

脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器C10。当脉冲数达到设定值时，计数器C10动作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转，伺服执行机构定位。当伺服执行机构的位移速度要求较高时，可以用PLC中的高速脉冲发生器。PLC其高速脉冲的频率可达4000～6000Hz。

四、结论

步进电动机用PLC控制通电脉冲，硬件接线简单，程序编制也很容易。可方便地实现对电机的速度和位置进行控制，可靠地实现各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作。