PLC步进电机控制技术研究

黄河清

（南昌大学共青学院，江西 九江 332020）

0 引言

PLC属于工业控制及刷机，处理更加精确，并且处理速度快，具有极高的配置灵活性，可有效发挥网络技术、控制功能的作用。步进电机结合PLC，能够对两者之间的长处进行更好的发挥，并且丰富计算机模块功能，应用性强、性价比高。所以，相关工作者应对PLC步进电机控制技术进行积极探索，促使其更好地发展和应用，发挥其在控制装置领域中的作用[1]。

1 步进电机系统组成结构

步进电机结构主要包括驱动电源、步进电机模块、PLC和其他相关电路设备等，UPS接口电源对系统电源供应进行控制，其能够确保任何时间的系统安全和连续的供电工作。

1.1 PLC控制模块

德国西门子公司生产的S7-200晶体输出管不但可以安全稳定地运行系统，并且可以确保系统及时响应，S7-200内部安置两个脉冲发生器，设备最大输出脉冲20kHz，选择供应模式存在脉冲宽输出和脉冲串输出两种。基于输出模式为PT0的前提条件下，工作人员可对机器设备出现脉冲的数量和时间进行有效控制，利用计算机实时控制脉冲程度，并且，基于输出模式为PWM的条件下，可先对一些占空间的脉冲进行输出，用户依靠自己就能够对脉冲的数量和周期进行控制。不管是哪一种脉冲输出方式，均要通过内部输出指令才能进行应用。

1.2 触摸显示屏

使用PRO-FACE作为步进电机的触摸屏幕，通过对接PLC和PPI两个接口，于电脑端口编程FACE软件，并将其在PLC内部进行安装，PLC可对之前的系统程序进行利用，利用FACE软件对指令进行更改，使输出变为控制，进而保证步进电机的工作状态正常。触摸显示屏内部显示以下图标：首先，启动界面在触摸屏中最显眼，对比其他图标，占据面积最大，启动图标控制显示屏的开和关，控制显示屏的方式按照需要来进行选择，第一种为手动，第二种为自动；其次，数据输出界面内具有特殊的小键盘，只不过平常被隐藏起来，该设备可以独立控制输入方向和速度；再次，在显示屏内部，具有相关装置可以实现报警和监测功能，但最主要的还是接收信号[2]。

2 步进电机控制技术的工作原理以及特性

2.1 步进电机控制技术的工作原理

步进电机可以把电脉冲信号进行转化，成为对应的直线位移或角位移的执行体系，通过控制电脉冲信号实施。因为电脉冲信号对步进电机进行控制，步进电机的转子速度和角位移量会和输入脉冲的频率和数量严格地形成正比，进而在角位移数量控制中，利用脉冲数量对其进行控制，显著提升定位的精确性。步进电机还可以利用脉冲频率对电机转动的加速度和速度进行有效控制，从而做到对电机转动额实时调速。同时，还可以对通电的顺序进行变化，对步进电机旋转方向进行改变。

2.2 步进电机控制技术的特性

步进电机有着十分丰富的种类，基于此，对其按照结构进行划分，主要包括混合式步进电机、永磁式步进电机、反应式步进电机。同时，按照步进电机的相数也可以对其进行划分，主要为多相、两相、单相。第一，步进电机输入脉冲量应进行控制，和转子角位移量的商是一定的，而且运转七天后的步进电机不存在积累误差，具有良好的跟随性。第二，步进电机想要保持正常的工作状态，应基于脉冲电源实施供电的情况下才能够实现，并且步进电机中只能采用该电源，其他电源无法在其中发生作用。第三，运行过程中，步进电机可能会有失步和振荡的状况发生，想要有效避免，需要采用相应的方法处理机械负载和控制系统。第四，运行过程中步进电机能够敏捷地进行动态响应，提升了停机和启动的便利性，并且还能够有效控制电机的转动速度和旋转方向。第五，运行过程中的步进电机会产生较大的震动和噪音，这降低了步进电机的带惯性负载能力，所以，需要使用控制技术对步进电机的震动和噪音进行调节。因为步进电机会与驱动器电路构成开环数字控制系统，该系统具有较高的性价比，具有简单的系统结构，并且具有较高的可靠性[3]。

3 步进电机的优缺点

在一定程度上，实现工业自动化是依靠对电机的精确控制，所以，在现代经济和现代工业发展中，电机运动控制具有重要意义。随着我国科技的发展以及计算机技术的进步，电机控制也得到发展，原先的转动和停止功能已经停用，开始精准控制转速、加速度等相关参数，根据设计者的需求，使机械结构的运动按照设想的方式进行。采用步进电机能够满足设计者的相关需求，还可以满足负载需求。发送脉冲信号时，可通过微处理器实施，对电机角、线位移进行有效控制。一般情况下，我们所说的步进电机属于结合电机驱动模块。其处理器的脉冲信号接收到以后，就会进行角度的调节并进行固定。不同于其他类型的电机，步进电机不需要连续且直接地进行增量运动，例如直流电机，而是要求使用者逐步完成。所以，要想对角度转动的变化进行实现，只需提供相应的脉冲信号，对步进电机准确控制。过程中，想要对电机的加速度和转速进行调整，可以对脉冲频率进行变化。同时，步进电机优势众多。第一，无刷。作为电性的无刷电机，与其他具有内部电刷装置的电机进行比较，步进电机的可靠性更强，稳定性也更强。第二，无关负载。当步进电机的负载限制没有被超过时，依旧能够保持正常的运行和转动，工作状态正常，不会存在偏差情况。第三，无累积误差。每一次转动过程中，步进电机均有几率出现误差，但整周转动之后，误差累积相加等于零。第四，环境无关步距角。出厂设置上，步进电机的固定转动角度就已经被设定，和步进电机使用中的电流大小、湿度、温度没有关系。第五，方便控制。步进电机控制期间，想要控制电机转速和角度，只需要对脉冲频率和数量进行改变。

4 PLC步进电机控制技术

4.1 控制原理

因为驱动和控制步进电机有多种方法，再加上自身具有良好的跟踪性能和无累积误差，步进电机大部分以开环式控制终端为控制系统。运用PLC步进电机控制技术过程中，硬件部分的组成主要包括驱动器、PLC控制器、控制面板等。控制面板利用PLC的监控通信和操作工作过程，多数使用人机交互界面，控制PLC的手段为计算机或者采用触摸屏，发出方向以及脉冲信号，控制步进电机运行，可采用驱动器完成。驱动器选择时应按照PLC输出信号的极性确定。为了对电机的控制精度和运行性能进行改善，一般会选择具有细分功能的驱动器。通过PLC控制步进电机时，保证PLC的高速脉冲输出功能。控制可编程逻辑控制步进电机时，启动频率为不失步响应的最高频率，停止频率表示系统控制信号突然断掉。步进电机停止和启动频率需要对负载转动惯量进行适应，科学控制相关数据，对步进电机的运行进行保障，采用可编程逻辑控制器控制步进电机的运行，快速计算出脉冲频率和脉冲量，进而对相应的功能和PLC进行选择[4]。

4.2 程序的创建

应用PLC步进电机控制技术时应对相应的程序进行创建，一般情况下，包括以下步骤：编译下载程序、创建应用程序、操作测试位控模块、组态位控模块等。想要有效控制步进电机的位置和速度，需要对EM253位控模块实施包络表和组态。EM253位控模块作为对PLC的一个功能扩展，可以产生脉冲并将其运用于步进电机中，开环控制步进电机的位置和速度。组态EM253过程中，应按照控制系统的位控向导、控制要求和硬件配置的组态过程实施创建。组态内容中应包括以下部分：调整时间参数、设置手动参数、电机运行速度等。基于步进电机控制系统硬件，需要反向定位控制和正向定位控制步进电机，并且还要控制步进电机的响应速度和最小速度以及最大速度。通过PLC扩展功能模块实施组态，不能保证大部分参数的准确性，因此在调试期间，应不断改变参数，确保参数的最佳值。通过测试和对位控模块组态后，可按照控制系统需求对位控子程度进行选择，并能够在应用程序中实现这个功能，期间需要删除没有使用的子程序，增加程序容量。编制程序之后，需要不断调试参数，编译最优的参数，最后将其下载至PLC中，完成程序的创建[5]。

4.3 实际应用以及使用效果

立足于相关研究，在可编程逻辑控制器内部对设计系统进行运用，发出高速脉冲指令，采用计数器实现步进电机的智能和手动切换，设计者通过改进可编程逻辑控制器的开环运动措施，提升了系统工作的准确性。利用德国的普洛菲斯液晶显示屏幕，发布操作人员的日常工作指令，从而实时监控整个系统的运行。将信号反馈工序进行使用，能够保证系统稳定、安全的运行，将微型体积变速箱加在输出端口，因为转速箱的功能和作用，可以让角位移变为直线位移，满足多种伸缩结构质量要求。研究人员将该系统进行实际运用，作为基础支架，多次使用和测试之后，发现步进电机可将所有的实验要求基本实现，无法控制的范围在0.5毫米之内。

4.4 内部硬盘的工作原理

步进电机所有硬盘的组成均包括接口、磁头控制器、控制电机、主轴、片头等，其中所有硬件片头均在主轴，固定在一个转轴上，子片均为平行分布，同时子片之间需要保持一定的距离，将磁头安置在上方，子片和磁头之间的距离应缩小得非常微小。尽管磁头较为微小，但是控制器在磁头上面可对所有的磁头运动进行控制并反转，由于磁头的运动，子片也会进行高速的运动旋转，基于以上工作原理，盘片上面的磁头可以在指定位置对相应的信息进行读取。为了保持工作过程中磁头的稳定状态，在硬盘不同的情况下，还会针对实际状况对内部磁头实施固定，如果硬盘中的子片运行停止，或者转速不达标，磁头的锁定装置在一个指定位置固定，这就是硬盘活动过程中，响声为什么会出现，因为响声是内部锁定装置而出现的[6]。

5 结语

综上所述，步进电机的控制系统多数为开环控制系统，基于对可编程逻辑控制器的扩展功能模块进行有效运用，从而反馈步进电机的位置和速度，同时再对PLC控制技术的脉冲计数功能进行结合，有效闭环控制步进电机。目前，随着社会水平的不断提升和PLC技术的提升，步进电机功能越来越多，其指令速度也得到增强。控制步进电机过程中，仅需要使用小型PLC就可达到理想效果。PLC步进机控制技术优势显著，不但开发周期短，运行效率高，而且操作十分简单，可有效控制各种步进电机系统，这对步进电机控制方面而言，具有极高的应用价值。