王嵩

(贵州黔元隆安装工程有限公司，贵州 贵阳 550014)

前言

在棉纺生产中步进电机有着广泛的使用。为了棉纺产品的质量保证,要求步进电机必须迅速、准确、安全的控制完成任务。步进电机在生产过程中是机电一体化的关键产品，广泛在各种电一体化设备和自动化控制系统机中应用。PLC作为一种具有模块化结构、高速的处理速度、配置灵活、PLC对步进电机也具有良好的控制能力、精确的数据处理能力的工业控制计算机。具有可靠性高、编程方式简单直观、功能完善的特点。

1 工作性能及原理

步进电动机是用电脉冲信号进行控制一种的计算机，并将电脉冲信号转换成相应的线位移或角位移的执行要塞。因为受到脉冲的控制，通过控制脉冲数量来控制角位移量以及其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，从而达到目标准确定位。控制电机转动的速度和加速度主要是通过控制脉冲频率来控制的，这样才能达到调速的目的；要想达到改变电机旋转方向的目的，只有通过改变通电顺序来实现。步进电机主要是按结构可以分为反应式、永磁式及混合式步进电机来分类的，也可以按相数分类，分别为单相、两相和多相三种。

1.1 步进电机的优点

（1）步进电机的输入脉冲数与角位移严格成正比，电机运转一周后没有累积误差，具有良好的跟随性。

（2）由步驱动器电路与进电机组成的开环数字控制系统，既简易、价廉，可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统。

（3）步进电机的动态响应速度快，方便启停、正反转、变速。

（4）速度可与宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩。

1.2 步进电机的缺点

（1）步进电机只能通过脉冲电源供电才能启用，它不能直接使用直流电源和交流电源。

1.3 步进电机的控制原则

"启动频率"就是步进电机能响应而不失步的最高步进频率；与其相同，“停止频率”是指系统控制信号突然停断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。而电机的输出转矩和启动频率、停止频率都要和负载的转动惯量相适应。有了这些数据，就能有效地控制步进电机的运行变速。

PLC控制步进电机的使用，应根据下式计算系统的脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量，进而选择与PLC及相应的功能模块。根据脉冲频率可以确定PLC高速脉冲输出时需要的频率，根据脉冲数量可以确定PLC的位宽。脉冲频率上限=（移动速度×步进电机细分数）/脉冲当量；最大脉冲数量=（移动距离×步进电机细分数）/脉冲当量；脉冲当量=（步进电机步距角×螺距）/（360×传动速比）。

2 升降速控制

在步进电机起动和停止的时候往往出现失步和过冲现象；一般情况下，要求的运行速度往往比较高，而系统的极限启动频率比较低；当要求步进电机从起动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，高于突跳频率或最高工作频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降，因此，步进电机的运行一般要经过恒频、升频和降频等过程。

实现步进电机升降速的方法分三种：

（1）直线升降速控制。这种方法节省资源、计算简单，但是匀速和升降速不能光滑过渡，影响系统的运行寿命和质量，所以此方法适用于要求不高、处理较慢的场合。

（2）指数升降速控制。这种方法符合步进电机的固有规律，但是计算实现比较麻烦，适用于处理速度要求较高的场合。

（3）S形曲线升降速控制。这种方法根据实际升降速过程采用慢、快、慢的过程来控制步进电机，适用于要求较高和平稳的场合。

3.步进电机单双轴运动的控制的实现

3.1 控制坐标系的建立

确立坐标系是PLC对步进电机的控制的前提，可以设为相对和绝对坐标系。坐标系的设置在DM6629字中，脉冲输出0对应00-03位，04-07位对应脉冲输出1。设置为0时，为相对坐标系；设置为1时，为绝对坐标系。

（1）不带加减速的单相脉冲输出

当PLC控制坐标系设定为相对坐标系时，可以从端口1和端口0以增量的形式输出脉冲，输出脉冲的计数值，对于端口1记录在SR231、SR230通道中，对于端口0记录在SR229、SR228通道。

3.2 控制系统组成

步进电动机主要采用DM5654A型两相混合式，控制器采用S7-200 CPU224，功率驱动器采用DMD402，晶体管输出类型。S7-200CPU224 PLC的指令功能强，可靠性高，指令丰富，内置有高速计数器、RS485通信、高速输出、MPI通信协议等功能，晶体管输出类型有两路20kHz的高速脉冲输出，可以使步进电动机得到有效控制。

输入信号的脉冲频率决定步进电动机的转速，并与频率同步，要有效控制其转速，改变脉冲信号的频率即可。利用CPU224的PTO功能生成指定脉冲数目的方波脉冲序列。脉冲数、脉冲宽度或周期装入相应的控制寄存器。改变脉冲周期，就可改变控制频率，以改变步进电动机的速度：改变脉冲数量，就可改变步进电动机旋转的角位移。方向信号由Q0.1输出，脉冲信号由Q0.0的输出脉冲。

PTO功能流水线方式有两种：第一，单段流水线方式：移动距离L较小，要求步进电动机以恒定低速旋转。第二，多段流水线方式：移动距离L较大，要求步进电动机能加速起动、恒速运行和减速到起动频率。本控制系统选用单段流水线方式。

结论

使用 PLC可方便地实现对电动机的位置和速度进行控制，有效操作各种步进电动机，完成各种复杂多样的工作，目前基于PLC的步进电动机控制已经广泛地在造纸、食品、包装以及其他轻工机械中得到应用。

[1]王晓明.电动机的单片机控制［M］.北京：北京航空航天出版社，2002

[2]廖常初.PLC编程及应用(第2版)[M].北京：机械工业出版社，2005，10.

[3]宣财鑫.PLC 脉冲控制步进电机技术［J］.机车车辆工艺，2002

[4]高钦和.可编程控制器应用技术与设计［J］.北京：人民邮电出版社，2004