基于PLC的步进电动机单双轴运动控制的实现

　　1 引言

　　步进电机由于具有转子惯量低、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。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个行业的控制领域都将有广泛应用。PLC 作为一种工业控制计算机，具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、精确的数据处理能力、PLC 对步进电机也具有良好的控制能力，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。

　　对于那些在运行过程中移动距离和速度均确定的具体设备，采用PLC 通过驱动器来控制步进电机的运转是一种理想的技术方案。本例介绍PLC 控制步进电机的方法。

　　2 工作原理及特性

　　步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的执行机构。由于受脉冲的控制，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，通过控制脉冲数量来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的;通过改变通电顺序，从而达到改变电机旋转方向的目的。步进电机的种类很多，按结构可以分为反应式、永磁式及混合式步进电机三类，按相数分则可以分为单相、两相和多相三种。

　　2.1 步进电机的特点

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

　　(2)由步进电机与驱动器电路组成的开环数字控制系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。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快，易于启停、正反转及变速。

　　(4)速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩。

　　(5)步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。

　　2.2 控制原则

　　步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”;与此类似，“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。而电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应。有了这些数据，就能有效地对步进电机进行变速控制。

　　采用PLC 控制步进电机，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PLC 及其相应的功能模块。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。脉冲当量=(步进电机步距角×螺距)/(360×传动速比);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。