0 引言
步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件。步進電動機的輸入量是脈沖序列，輸出量則為相應(yīng)的增量位移或步進運動。正常運動情況下，它每轉(zhuǎn)一周具有固定的步數(shù); 做連續(xù)步進運動時，其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負載變化的影響。因此步進電機具有快速啟停、精確步進以及能直接接收數(shù)字量的特點。由于步進電動機能直接接受數(shù)字量的控制，所以特別適宜采用微處理器、微機及PLC 進行控制。
1 步進電機工作原理
目前常用的有 3 種步進電動機: 1) 反應(yīng)式步進電動機( VR) 。反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，步距角小; 但動態(tài)性能差。2) 永磁式步進電動機( PM) 。永磁式步進電動機出力大，動態(tài)性能好; 但步距角大。3) 混合式步進電動機( HB) �；旌鲜讲竭M電動機綜合了反應(yīng)式、永磁式步進電動機兩者的優(yōu)點，它的步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是目前性能最高的步進電動機。它有時也稱作永磁感應(yīng)子式步進電動機。
圖 1 是最常見的三相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中 1，2，3 分別為電動機的定子、轉(zhuǎn)子和繞線線圈。電機的定子上有 6 個均布的磁極，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 個小齒。所以每個齒的齒距為 θE= 360° /40 = 9°，而定子每個磁極的極弧上也有 5 個小齒，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，其比值為一分數(shù)，從而產(chǎn)生了所謂的齒錯位的情況。如圖所示，若以 A 相磁極小齒和轉(zhuǎn)子的小齒對齊，那么 B 相和 C 相磁極的齒就會分別和轉(zhuǎn)子齒相錯 1/3的齒距，即 3°。B、C 極下的磁阻會比 A 磁極下的磁阻大。假如給 B 相通電，B 相繞組會產(chǎn)生定子磁場，其磁力線穿越該相磁極，并會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，直到 B 磁極上的齒與轉(zhuǎn)子齒對齊，恰好轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 3°; 此時 A、C 磁極下的齒又分別與轉(zhuǎn)子齒錯開1 /3 齒距。此時停止對 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)子按順時針方向再轉(zhuǎn)過 3°。依次類推，當三相繞組按 A→B→C→A 順序循環(huán)通電時，轉(zhuǎn)子會按順時針方向，每個通電脈沖轉(zhuǎn)動 3°的規(guī)律步進式轉(zhuǎn)動起來。若改變通電順序，按 A→C→B→A 順序循環(huán)通電，則轉(zhuǎn)子就按逆時針方向以每個通電脈沖轉(zhuǎn)動 3°的規(guī)律轉(zhuǎn)動。因為每一瞬間只有一相繞組通電，并且按 3 種通電狀態(tài)循環(huán)通電，稱為單三拍運行方式。單三拍運行時的步矩角 θb為 30°。除此以外三相步進電動機還有兩種通電方式，分別是雙三拍運行，即按 AB→BC→CA→AB 順序循環(huán)通電的方式和單、雙六拍運行，即按 A→AB→B→BC→C→CA→ A 順序循環(huán)通電的方式。六拍運行時的步矩角將減小一半。
圖 1 三相反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu)示意圖
反應(yīng)式步進電動機的步距角可按下式計算:θb= 360° / NEr( 1)式中: Er為轉(zhuǎn)子齒數(shù); N 為運行拍數(shù)，N = km，m 為步進電動機的繞組相數(shù)，k =1 或 2。
2 步進電機的控制原理
步進電機作為一種控制精密位移及大范圍調(diào)速專用的電機，它的旋轉(zhuǎn)是以自身固有的步距角( 轉(zhuǎn)子與定子的機械結(jié)構(gòu)所決定) 一步一步運行的，其特點是每旋轉(zhuǎn)一步，步距角始終不變，能夠保持精密準確的位置。所以無論旋轉(zhuǎn)多少次，始終沒有積累誤差。由于控制方法簡單，成本低廉，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進電機的運行需要有脈沖分配的功率型電子裝置進行驅(qū)動，這就是步進電機驅(qū)動器。它接收控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，按照步進電機的結(jié)構(gòu)特點，順序分配脈沖，實現(xiàn)控制角位移、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)方向、制動加載狀態(tài)、自由狀態(tài)�？刂葡到y(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號，通過驅(qū)動器就能夠驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。角位移量與脈沖個數(shù)相關(guān)。步進電機停止旋轉(zhuǎn)時，能夠產(chǎn)生兩種狀態(tài): 制動加載能夠產(chǎn)生最大或部分保持轉(zhuǎn)矩( 通常稱為剎車保持，無需電磁制動或機械制動) 及轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)( 能夠被外部推力帶動輕松旋轉(zhuǎn)) 。步進電機驅(qū)動器必須與步進電機的型號相匹配，否則將會損壞步進電機及驅(qū)動器。步進電機典型控制原理如圖 2 所示。
圖 2 步進電機控制原理圖
1) 控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如: 三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為 A － B－ C － D，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制 A，B，C，D 相的通斷。
2) 控制步進電機的轉(zhuǎn)向
如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。
3) 控制步進電機的速度
如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。2 個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。
4) 控制步進電機的角位移控制輸入給步進電機的脈沖數(shù)目可以控制步進電機的角位移。
3 步進電機的 PLC 控制
隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進的發(fā)展，其功能已遠遠超出了邏輯控制、順序控制的范圍，它與計算機有效結(jié)合，可進行模擬量控制，具有遠程通信功能等。有人將其稱為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱( 即 PLC、機器人、CAD/CAM) 之一。目前 PLC 已廣泛應(yīng)用于冶金、礦業(yè)、機械、輕工等領(lǐng)域，為工業(yè)自動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 的高速輸出點直接對步進電機進行運動控制。S7 －200 系列 PLC 配有 2 個 PTO/PWM 發(fā)生器，它們可以產(chǎn)生一個高速脈沖串或者一個脈沖調(diào)制波形。一個發(fā)生器的輸出點是 Q0． 0，另一個發(fā)生器輸出點是 Q0． 1。當 Q0． 0 和 Q0． 1 作為高速輸出點時，其普通輸出點被禁用，此時輸出的波形不受輸出映像寄存器的狀態(tài)、輸出強制和立即輸出指令的影響。而當不作為 PTO/PWM 發(fā)生器時，Q0． 0 和Q0． 1 可作為普通輸出點使用。一般情況下，PTO /PWM 輸出負載至少為 10% 的額定負載。脈沖輸出指令( PLS) 配合特殊存儲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)備上有一套步進驅(qū)動系統(tǒng)，步進驅(qū)動器的型號 為 SH － 2H042Ma，步 進 電 動 機 的 型 號 為17HS111，是兩相四線直流 24 V 步進電動機。要求: 壓下按鈕 SB1 時，步進電機帶動設(shè)備運行，當設(shè)備靠近接近開關(guān) SQ1 時停止。PLC 與步進驅(qū)動器和步進電動機的接線如圖 3 所示。
圖 3 PLC 與驅(qū)動器和步進電動機的接線圖
系統(tǒng)選用的是兩相四線的步進電機，其引出線分別與步進驅(qū)動器的 A + 、A － 、B + 、B － 端子相連。在該控制系統(tǒng)中，PLC 不能直接與步進驅(qū)動器相連，因為步進驅(qū)動器的控制信號是 +5 V，而西門子 PLC的輸出信號是 + 24 V。因此可以在 PLC 與步進驅(qū)動器中間串聯(lián)一只2 kΩ 的電阻，起到分壓作用。此外，步進驅(qū)動器有共陰和共陽兩種接法，與具體的控制信號有關(guān)系，西門子 PLC 輸出信號是 + 24 V 信號，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 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、時間基準為微秒、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、時間基準為微秒、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:
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) 如果要手動終止一個正在進行的 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)標志著脈沖輸出完成。
4 小結(jié)
步進電機在工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，合理選擇步進電機的控制方式是非常必要的�？茖W合理地選擇和設(shè)計步進電機的控制方式，必須先弄清步進電機的基本工作原理。利用 PLC 實現(xiàn)步進電機的控制程序簡捷、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控制步進電動機，必須具備兩個條件，一是 PLC 必修有高速輸出點，二是輸出點必須是晶體管輸出，繼電器輸出的 PLC 即使有高速輸出點也不能控制步進電機。此外，S7 －200 系列的 PLC 集成的高速輸出點的頻率不夠高，使其使用范圍有限�；谝陨戏N種，在對步進電機控制系統(tǒng)進行設(shè)計時，要根據(jù)具體的控制要求選用合理的控制方案。
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本文標題：基于PLC的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計
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