基于PLC步进电机控制系统研究
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基于PLC步进电机控制系统研究
作者：朱勇
来源：《企业技术开发·中旬刊》2014年第03期
摘要：根据步进电机的应用原理设计了一个基于PLC的步进电机控制系统。
并根据电机的特性设计了基于PLC的控制电路，系统通过改变控制信号频率从而改变占空比来调整速度。
关键词：步进电机控制；PLC；PWM；控制系统
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）8-0079-02
现代可编程序控制器采用微处理器（Microprocessor）作为管理内核，具有丰富的辑控制功能、算术运算、模拟量处理和通信联网等功能。
PLC的高可靠性到目前为止没有任何一种工业控制设备可以达到，PLC对环境的要求较低，与其它装置的外部连线和电平转换极少，可直接接各种不同类型的接触器或电磁阀等。
PLC的硬件主要由CPU模块、I/O端口组成，如图1所示：
PLC管理控制过程一般可分为输入采样，程序执行和输出刷新三个主要阶段。
PLC程序的易修改性，可靠性，通用性，易扩展性，易维护性可和计算机程序相媲美，再加上其体积小，重量轻，安装调试方便，使其设计加工周期大为缩短，可重复利用。
1 步进电机的控制系统设计
1.1 控制原理
步进电机的高频启动，低频正常工作，但空载频率是极限，启动时超出时出现失步而无法启动。
同时，速度切换由校验机制保障。
步进电机的速度控制原理实际上就是控制触发脉冲的频率，即变频调速。
其控制信号的频率增加，电机转速上升，反之亦然。
1.2 总体设计方案
1.2.1 控制部分的方案论证
方案一：用PLC电路实现。
用定时芯片产生脉冲，用组合和时序电路实现对脉冲的分配及频率的调节。
整个电路用到的分立元件较多，电路构成复杂，不易焊接，且电路的抗干扰能力较差。
方案二：采用单片机作为核心控制部件。
但是按照给定的通电换相顺序，通过单片机的
I/O向驱动电路发出控制脉冲，在电机的工作过程脉冲持续产生占用了大量的CPU内存，影响使单片机性能而导致性能变差。
方案三：用PLC作控制部件，PLC控制外围电路简单，整体性能好，有更好的稳定性好。
精度高，抗干扰能力强。
显然第三种方案具有更大的优越性，灵活性，经比较采用第三种方案。
1.2.2 功放电路的方案确定
由于从PLC的I/O中出来的电流小，功率达不到驱动电机运行与正常工作要求。
直流电机的驱动方案中最合理的驱动电路是H型PWM的驱动电路。
即用PLC控制晶体管组成的丁类功率放大器，输出占空比可调的开关脉冲信号，从而准确调整电动机的运转速度。
H型丁类功率放电路晶体管工作于开关状态，效率理论上可达100%；采用晶体管，开关反应快，稳定性强，是经典的脉宽调制的调速技术。
步进电机的驱动方案选择如下。
方案一：单电压驱动。
电机绕组工作电源仅使用一个电压源，如图2所示：
其中R1是限流电阻，与线圈电感共同决定时间常数，但如果R1数值过大会削弱绕组电流而限制功率。
方法是并联一个电容C改变功率因数，补偿绕组电流上升沿，是波形变陡，改善绕组高频段性能。
方案二：斩波恒流驱动。
高频开关管T1、T2导通频率不同，T1导通次数远高于T2。
T2开关管的发射极电阻Ro为限流电阻。
绕组的电流波形在T2导通周期段，电源供电是离散的，电源效率高，抑制了共振现象。
但采用晶体管，脉冲不是方波（锯齿），电磁噪声大，如图3所示。
方案一的单电压驱动方式信价比高，正好适合本课题。
所以选择方案一作为设计方案。
经过上面的分析与论证，电机控制的总方框图如图4所示：
1.3 步进电机功率放大器实际电路
步进电机其驱动电路原理与控制过程如下： PLC控制脉冲信号分别接到驱动管Q3-Q6的b极，c极分别输出相应的驱动信号，去控制步进电机的对应管脚（1、3、4、6），需要说明，2、5脚一定是接高电平。
正转各相通电顺序为A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A，则只要依次通脉冲序列1110-1100-1101-1001-1011-0011-0111-0110-1110即可以完成。
反转也以此类推。
则电机在驱动电路作用下实现高效调速与控制，驱动电路如图5所示：
TLP521-2光耦集成芯片隔离控制部分与电机的驱动部分，改善电路的电流性能，增加控制系统与工作部分隔离度，这样可以提高运行中控制系统所需的电压。
2 软件设计
总控制模块是通过对各个按键的选择来实现各种功能，就是一个对不同按键的响应程序。
共有复位RESET 键，步进与直流电机选择SLECT键，正反选择SHIFT键，速度选择SPEED 键四个按键。
程序流程图如图6所示：
3 结语
步进电机控制的PLC控制通过程序实现，起动时的频率不能太大，否则易产生不同步现象，甚至根本不起动，步进电机的转速与其转矩成反比。
参考文献：
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