步进电机控制原理
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第一章步进电机控制原理
步进电机是一种将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的常用电气执行元件，具有步进数可控、运行平稳、价格便宜等优点。
步进电机转子的位移与脉冲数成正比，因而其转速与脉冲频率成正比，而不受电源电压、负载大小及环境条件等影响。
每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度前进一步，这个角度即为步距角。
脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了旋转的速度，方向信号决定了旋转的方向。
步进电机的工作方式与电动机的结构和种类密切相关，从结构上看，步进电机分为三相、四相、五相等类型，常用的是三相步进电机。
三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种。
系统采用三相六拍工作方式，在=三相六拍工作方式中，控制电流切换6次，磁场旋转1周，转子移动1个齿距，各相的通电顺序为：A—AB．B-BC．C．CA—A。
六拍工作方式时的电压及电流波形如图1所示。
其中细线表示磁极绕组中的电流波形，可见磁极的驱动电压是方波，而电流不是方波，这主要是由于步进电机的每相绕组存在一定的充电和放电时间。
图1 三相感应式步进电机六拍工作方式时的电压及电流波形
常用的步进电机分为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等类型，不同的步进电机在控制方式上基本一样。
在实际应用中，反应式步进电机较常用。
步进电机直接由数字信号控制，其基本控制包括转向控制和速度控制。
步进电机换向,一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内时，以免产生较大的冲击而损坏电机。
换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1个脉冲前发出。
在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速一换向一加速3个过程。
调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
用PLC实现步进电机的加
减速控制，实际上就是控制发送脉冲的频率。
加速时，使脉冲频率增高,减速时降低。
理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电机整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。
若选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律，则能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。
第二章点位控制原理
通常一个定位命令要求主轴与零件移动到另一位置时，模块先计算一个理论的时间速度图。
然后以这个时间速度图控制轴，使之最后达到规定的位置。
典型的时间速度图(如图2所示)是一个梯形，也就是说，轴先以用户设定的加速度匀加速度运动，直至达到用户设定速度y，然后匀速运动一定的时间，再以用户设定的加速度做匀减速运动，直到速度变为0。
速度达到0时，轴移动的距离正好是命令规定的值P。
图二时间速度图
根据这个时间速度图，可以计算出相应的时间位置图。
对于不带旋转编码器的开环步进控制模块，速度命令脉冲就以时间速度图的值输出，当P个脉冲全部输出以后停止输出。
第三章控制方案
PLC驱动步进电机实现点位控制，硬件电路设计简单、方便、快捷，编程时只要熟悉PLC的指令即可。
下面以OMRON公司CPIH．X40D型PLC为例，分析如何利用PLC指令软件编程实现对步进电机的定位／速度控制。
3．1控制系统的硬件设计
控制系统的硬件设计I／O接线如图3所示，由于计算机和PLC等控制器发出的脉冲信号微弱，达不到能够直接驱动步进电机的功率，所以，必须是PLC通过功率驱动器来控制步进电机。
图三 PLC的I/0接线图
3．2 PLC脉冲环形分配软件的实现
用软件代替硬件实现脉冲的环形分配，是PLC直接控制步进电机的关键技术之一。
以图4梯形图为例，用OMRON公司CPIH—X40D型的PLC说明软件实现脉冲环形分配的原理，该程序已成功编译并下载运行，使步进电机按照三相六拍方式工作。
图四步进电机plc梯形图
(1)脉冲控制过程
脉冲控制是通过改变计数器CNT0001的设定值n，对脉冲输入进行计数，并将计数器的常闭触点串联于移位寄存器SFT的CP端，当按下步数控制开关0．04接通，开始计步数。
当走完预定步数。
计数CNT0001动作，其常闭触点断开，步进电机停止步进。
(2)环形脉冲的控制过程
步进电机采用单、双拍运行方式，其脉冲分配器是由可编程序控制器编程软件来实现。
由内部辅助继电器1222控制移位指令SFT的CP端，产生所需的脉冲频率，由1221通道的01—06位控制内部辅助继电器1223．00—1223．02，产生六拍时序环形脉冲。
其接通顺序是1223．00(相位于A相)一1223．00、1223．01(A、B相)一1223．0l
(B相)_+1223．01、1223．02(B、C相)_+1223．02(C相)一1223．02、1223．00(C、A相)-+1223．00(A 相)⋯。
最后由1223．00—1223．02控制输出继电器100．00—100．02。
100．00—100．02按照三相六拍通电方式接通驱动功率驱动器，再由功率驱动器驱动步进电机。
(3)正反转控制
在正转情况下。
正反转控制开关处于断开位，0．02不动作，故由1223．00、1223．01驱动100．00、100。
0l，由1223．02驱动100．02。
要实现反转，按下正反转控制开关0．02动作，其常闭触点断开，常开触点闭合，由1223．01驱动100．00、1223．00驱动100．01，仍由1223．02驱动100．02，这样便实现了反转。
按下停止开
关0．05，步进电机停止步进。
3．3加减速点位控制
0MRON公司CPIH—X40D型PLC具有脉冲输出功能，可在梯形图程序内通过执行专用的脉冲控制指令实现位置控制及速度控制。
如定位PLS2(887)指令，指定脉冲输出量、目标频率、加速比率、减速比率，进行脉冲输出。
通过在脉冲输出中执行本指令，可变更脉冲输出量、目标频率、加速比率、减速比率。
指令格式如图5所示。
图五 PLS2（887）指令
通过PLS2可实现详细的台型控制，按照一定的比率使频率加速，按照一定的比率使频率减速。
输出指定的脉冲量时，使其即刻停止。
这种可变更定位(脉冲输出)中的目标位置(脉冲量)。
如起动输入1．04置于ON，则从脉冲输出0输出600，000脉冲，使电动机运行。
动作如图6所示，梯形图见图7，PLS2指令使用中DM区的设定见表1。
图六 PLS2指令动作
图七梯形图程序
表一 PLS2指令的设定（D0-D7）
第四章结束语
利用可编程控制器可方便地实现对电机的速度和位置进行控制，可靠地实现各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作。
它是一种先进的工业自动化设备，可广泛地在造纸、食品、包装以及其他轻工机械中得到应用。
用PLC控制步进电机实现点位控制在数控机床改造中也是一种经济、有效的方法。
[参考文献]
【1】韩庆瑶，刘崇伦，李巧红．PLC在数控定位控制系统中的应
用[J】．自动化博览，2005(3)：31—32．
[2]廖常初．PLC编程及应用(第2版)[M]．北京：机械工业
出版社，2005。
[3]欧姆龙可编程控制器CPIH编程手册．
[4]车长征。
PLC在步进电机位置控制中的应用。
江苏电器【J】，2002（4）
【5】舒斌。
PLC控制步进电机在分类存储中应用。
自动化技术与应用【J】2009,28（11）。
