0 引言

    步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸入量是脈沖序列，輸出量則為相應(yīng)的增量位移或步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。正常運(yùn)動(dòng)情況下，它每轉(zhuǎn)一周具有固定的步數(shù); 做連續(xù)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。因此步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停、精確步進(jìn)以及能直接接收數(shù)字量的特點(diǎn)。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接受數(shù)字量的控制，所以特別適宜采用微處理器、微機(jī)及PLC 進(jìn)行控制。

1 步進(jìn)電機(jī)工作原理

    目前常用的有 3 種步進(jìn)電動(dòng)機(jī): 1) 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)( VR) 。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角小; 但動(dòng)態(tài)性能差。2) 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)( PM) 。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)出力大，動(dòng)態(tài)性能好; 但步距角大。3) 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)( HB) �；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是目前性能最高的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。它有時(shí)也稱作永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

    圖 1 是最常見的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中 1，2，3 分別為電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子和繞線線圈。電機(jī)的定子上有 6 個(gè)均布的磁極，其夾角是 60°。各磁極上套有線圈，如圖連成 A、B、C 三相繞組。轉(zhuǎn)子上均布 40 個(gè)小齒。所以每個(gè)齒的齒距為 θE= 360° /40 = 9°，而定子每個(gè)磁極的極弧上也有 5 個(gè)小齒，且定子和轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬均相同。由于定子和轉(zhuǎn)子的小齒數(shù)目分別是 30 和 40，其比值為一分?jǐn)?shù)，從而產(chǎn)生了所謂的齒錯(cuò)位的情況。如圖所示，若以 A 相磁極小齒和轉(zhuǎn)子的小齒對(duì)齊，那么 B 相和 C 相磁極的齒就會(huì)分別和轉(zhuǎn)子齒相錯(cuò) 1/3的齒距，即 3°。B、C 極下的磁阻會(huì)比 A 磁極下的磁阻大。假如給 B 相通電，B 相繞組會(huì)產(chǎn)生定子磁場(chǎng)，其磁力線穿越該相磁極，并會(huì)按磁阻最小的路徑閉合，這就使轉(zhuǎn)子受到磁阻轉(zhuǎn)矩( 反應(yīng)轉(zhuǎn)矩) 的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)，直到 B 磁極上的齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊，恰好轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 3°; 此時(shí) A、C 磁極下的齒又分別與轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開1 /3 齒距。此時(shí)停止對(duì) B 相繞組通電，而改為 C 相繞組通電，同理受磁阻轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)子按順時(shí)針方向再轉(zhuǎn)過 3°。依次類推，當(dāng)三相繞組按 A→B→C→A 順序循環(huán)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)按順時(shí)針方向，每個(gè)通電脈沖轉(zhuǎn)動(dòng) 3°的規(guī)律步進(jìn)式轉(zhuǎn)動(dòng)起來。若改變通電順序，按 A→C→B→A 順序循環(huán)通電，則轉(zhuǎn)子就按逆時(shí)針方向以每個(gè)通電脈沖轉(zhuǎn)動(dòng) 3°的規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)槊恳凰查g只有一相繞組通電，并且按 3 種通電狀態(tài)循環(huán)通電，稱為單三拍運(yùn)行方式。單三拍運(yùn)行時(shí)的步矩角 θb為 30°。除此以外三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)還有兩種通電方式，分別是雙三拍運(yùn)行，即按 AB→BC→CA→AB 順序循環(huán)通電的方式和單、雙六拍運(yùn)行，即按 A→AB→B→BC→C→CA→ A 順序循環(huán)通電的方式。六拍運(yùn)行時(shí)的步矩角將減小一半。

圖 1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

    反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角可按下式計(jì)算:θb= 360° / NEr( 1)式中: Er為轉(zhuǎn)子齒數(shù); N 為運(yùn)行拍數(shù)，N = km，m 為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組相數(shù)，k =1 或 2。

2 步進(jìn)電機(jī)的控制原理

    步進(jìn)電機(jī)作為一種控制精密位移及大范圍調(diào)速專用的電機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)是以自身固有的步距角( 轉(zhuǎn)子與定子的機(jī)械結(jié)構(gòu)所決定) 一步一步運(yùn)行的，其特點(diǎn)是每旋轉(zhuǎn)一步，步距角始終不變，能夠保持精密準(zhǔn)確的位置。所以無論旋轉(zhuǎn)多少次，始終沒有積累誤差。由于控制方法簡(jiǎn)單，成本低廉，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行需要有脈沖分配的功率型電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。它接收控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)，按照步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，順序分配脈沖，實(shí)現(xiàn)控制角位移、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)方向、制動(dòng)加載狀態(tài)、自由狀態(tài)�？刂葡到y(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)器就能夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比。角位移量與脈沖個(gè)數(shù)相關(guān)。步進(jìn)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)時(shí)，能夠產(chǎn)生兩種狀態(tài): 制動(dòng)加載能夠產(chǎn)生最大或部分保持轉(zhuǎn)矩( 通常稱為剎車保持，無需電磁制動(dòng)或機(jī)械制動(dòng)) 及轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)( 能夠被外部推力帶動(dòng)輕松旋轉(zhuǎn)) 。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器必須與步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)相匹配，否則將會(huì)損壞步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)典型控制原理如圖 2 所示。

圖 2 步進(jìn)電機(jī)控制原理圖

    1) 控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如: 三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)?A － B－ C － D，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A，B，C，D 相的通斷。

    2) 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向

    如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。

    3) 控制步進(jìn)電機(jī)的速度

    如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。2 個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

    4) 控制步進(jìn)電機(jī)的角位移控制輸入給步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)目可以控制步進(jìn)電機(jī)的角位移。

3 步進(jìn)電機(jī)的 PLC 控制

    隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制、順序控制的范圍，它與計(jì)算機(jī)有效結(jié)合，可進(jìn)行模擬量控制，具有遠(yuǎn)程通信功能等。有人將其稱為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱( 即 PLC、機(jī)器人、CAD/CAM) 之一。目前 PLC 已廣泛應(yīng)用于冶金、礦業(yè)、機(jī)械、輕工等領(lǐng)域，為工業(yè)自動(dòng)化提供了有力的工具。

    以西門子 S7 － 200 PLC 為例，可以使用 S7 －200 系列 PLC 的高速輸出點(diǎn)直接對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。S7 －200 系列 PLC 配有 2 個(gè) PTO/PWM 發(fā)生器，它們可以產(chǎn)生一個(gè)高速脈沖串或者一個(gè)脈沖調(diào)制波形。一個(gè)發(fā)生器的輸出點(diǎn)是 Q0． 0，另一個(gè)發(fā)生器輸出點(diǎn)是 Q0． 1。當(dāng) Q0． 0 和 Q0． 1 作為高速輸出點(diǎn)時(shí)，其普通輸出點(diǎn)被禁用，此時(shí)輸出的波形不受輸出映像寄存器的狀態(tài)、輸出強(qiáng)制和立即輸出指令的影響。而當(dāng)不作為 PTO/PWM 發(fā)生器時(shí)，Q0． 0 和Q0． 1 可作為普通輸出點(diǎn)使用。一般情況下，PTO /PWM 輸出負(fù)載至少為 10% 的額定負(fù)載。脈沖輸出指令( PLS) 配合特殊存儲(chǔ)器用于配置高速輸出功能。這些特殊寄存器分為三大類: PTO/PWM 功能狀態(tài)字、PTO / PWM 功能控制字和 PTO /PWM 功能寄存器。脈沖串操作( PTO) 按照給定的脈沖個(gè)數(shù)和周期輸出一串方波 ( 占空比 50%) 。PTO 可以產(chǎn)生單段脈沖串或者多段脈沖串( 使用脈沖包絡(luò)) 。PTO 脈沖個(gè)數(shù)范圍為 1 ～4 294 967 295，周期為 10 ～65 535 μs 或者 2 ～65 535 ms。某設(shè)備上有一套步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的型號(hào) 為 SH － 2H042Ma，步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 的 型 號(hào) 為17HS111，是兩相四線直流 24 V 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。要求: 壓下按鈕 SB1 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)設(shè)備運(yùn)行，當(dāng)設(shè)備靠近接近開關(guān) SQ1 時(shí)停止。PLC 與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的接線如圖 3 所示。

圖 3 PLC 與驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的接線圖

    系統(tǒng)選用的是兩相四線的步進(jìn)電機(jī)，其引出線分別與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的 A + 、A － 、B + 、B － 端子相連。在該控制系統(tǒng)中，PLC 不能直接與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器相連，因?yàn)椴竭M(jìn)驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)是 +5 V，而西門子 PLC的輸出信號(hào)是 + 24 V。因此可以在 PLC 與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器中間串聯(lián)一只2 kΩ 的電阻，起到分壓作用。此外，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器有共陰和共陽(yáng)兩種接法，與具體的控制信號(hào)有關(guān)系，西門子 PLC 輸出信號(hào)是 + 24 V 信號(hào)，所以采用共陰極接法。

    主程序LD SM0． 1MOVB 16#85，SMB67MOVW 250，SMW68MOVW 80000，SMD72LD I0． 1EUPLS 0LD I0． 0SBR_0子程序( SBR_0)LD SM0． 0MOVB 16#82，SMB67R SM67． 7，1PLS 0其中，SMB67 是高速輸出點(diǎn) Q0． 0 的 PTO 控制寄存器。SMB67 =16#85 的含義是 PTO 允許、選擇PTO 模式、單段操作、時(shí)間基準(zhǔn)為微秒、PTO 脈沖更新和 PTO 周期更新。SMB67 =16#82 的含義是 PTO允許、選擇 PTO 模式、單段操作、時(shí)間基準(zhǔn)為微秒、PTO 脈沖不更新和 PTO 周期不更新。SMW68 = 250的含義是 PTO 為 250 μs。SMD72 =80000 的含義是PTO 脈沖個(gè)數(shù)為 80 000。

    使用 PTO/PWM 功能相關(guān)的特殊寄存器 SM 需要注意以下幾點(diǎn):

    1) 如 果 要 裝 入 新 的 脈 沖 數(shù) ( SMD72 或SMD82) 、脈沖寬度 ( SMW70 或 SMW80) 或者周期( SMW68 或 SMW78) ，應(yīng)該在執(zhí)行 PLC 指令前裝入這些數(shù)值到控制寄存器。

    2) 如果要手動(dòng)終止一個(gè)正在進(jìn)行的 PTO 包絡(luò)，要把狀態(tài)字中的用戶終止位( SM66． 5 或 SM76． 5)置 1。

    3) PTO 狀態(tài)字中的空閑位( SM66． 7 或 SM76． 7)標(biāo)志著脈沖輸出完成。

4 小結(jié)

    步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，合理選擇步進(jìn)電機(jī)的控制方式是非常必要的�？茖W(xué)合理地選擇和設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的控制方式，必須先弄清步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理。利用 PLC 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制程序簡(jiǎn)捷、清晰，具有良好的控制效果。但是，S7 －200 系列的 PLC 要使用其高速輸出點(diǎn)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，必須具備兩個(gè)條件，一是 PLC 必修有高速輸出點(diǎn)，二是輸出點(diǎn)必須是晶體管輸出，繼電器輸出的 PLC 即使有高速輸出點(diǎn)也不能控制步進(jìn)電機(jī)。此外，S7 －200 系列的 PLC 集成的高速輸出點(diǎn)的頻率不夠高，使其使用范圍有限�；�于以上種種，在對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)具體的控制要求選用合理的控制方案。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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