步进电机的PLC控制调速方法之探索

步进电机又叫做脉冲电机，是控制系统中的一种执行元件。它的作用是将脉冲信号变换为相应的位移，即给一个脉冲电信号，步进电机就转动一个角度或前进一步。由于步进电机的位移与脉冲个数成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。步进电机具有较好的控制性能，其启动、停止、正反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，从而实现精确定位。同时可以通过控制脉冲频率来控制步进电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。在负载能力范围内，这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化，因而可适用于开环系统中作执行元件，使控制系统大为简化。目前，我国已较多地将步进电机用于机械加工的数控机床中，在绘图机、轧钢机的自动控制、自动记录仪表和数模变换等方面也得到较多的应用。

可编程序控制器简称PLC，是一种数字运算操作的控制系统，专门用于工业环境设计。它的主要特点是可靠性高、使用方便、体积小、重量轻、编程简单易学，在工业控制领域得到广泛的应用。目前，利用PLC技术可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作。它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现。

本论文以项目教学法的方式探索步进电机的PLC控制转速方法。本设计控制要求如下：按下启动按钮，步进电机以100Hz的基准频率正转。按一次加速按钮，频率以50Hz递增，最多加速5次；按一次减速按钮，频率以25Hz递减，最多减速4次。加速时为正转，减速时为反转。按下停止按钮，步进电机立即停止运行。步进电机驱动器的细分设置为1，电流设置为1.5A。

1 控制系统的硬件设计

1.1 控制系统的结构。本设计中，系统硬件部分由上位机、PLC、步进电机驱动器、步进电机、负载等组成。上位机是计算机，作为控制面板、人机交互界面和控制软件编制环境，通过与PLC的通信，实现操作监控功能；PLC发出脉冲信号、方向信号，通过步进电机驱动器控制步进电机的运行状态。

1.2 控制系统的硬件。

1.2.1 PLC。使用PLC控制步进电机时，应该保证PLC具有高速脉冲输出功能。通过选择具有高速脉冲输出功能或专用运动控制功能的模块来实现。在本设计中，采用的是三菱系列FX2N-32MT型的晶体管输出型PLC。在PLC的选型上，必须采用晶体管输出型PLC，若使用继电器型的PLC，则高速脉冲的输出很难达到控制要求。

1.2.2 步进电机。步进电机有步距角（涉及到相数）、静力矩、电流三大要素组成。根据负载的控制精度要求选择步距角大小，根据负载的大小确定静力矩，静力矩一经确定，根据电机矩频特性曲线来判断电机的电流。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

1.2.2.1 步距角的选择。步进电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

1.2.2.2 静力矩的选择。步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）两种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2～3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

1.2.2.3 电流的选择。静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。

1.2.3 步进电机驱动器。遵循先选电机后选驱动的原则。电机的相数、电流的大小是驱动器选择的决定性因素。在选型中，还要根据PLC输出信号的极性来决定驱动器输入信号是共阳极或共阴极。为了改善步进电机的运行性能和提高控制精度，通常通过选择带细分功能的驱动器来实现。目前驱动器的细分等级有2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍等，最高可达256倍细分。在实际应用中，应根据控制要求和步进电机的特性选择合适的细分倍数，以达到更高的速度和更大的高速转矩，使步进电机运转精度更高，振动更小。如图2所示。公共端：采用共阳极接线方式。将输入信号的电源5V正极连接到该端子上。控制信号低电平有效。脉冲：共阳极时该脉冲下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲，并驱动电机运行一步。方向：该段信号的高电平和低电平控制步进电机的两个转向。共阳极时该端悬空被等效认为输入高电平。脱机：该端接受控制机输出的高/低电平信号，共阳极低电平时电机相电流被切断，转子处于自由状态。A+/A-，B+/B-：该端接两相混合式步进电机。DC+/DC-：该端接10V-40V间的直流电源。

1.3 控制系统的连接。本设计的相关硬件连接如图3所示。

2 控制系统的软件设计

2.1 PLC的I/O地址分配。

2.2 步进电机驱动器的设置。在驱动步进电机运转的PLSY指令中，脉冲的个数=360°/步距角，工作的频率=脉冲个数/运行时间。不指定脉冲个数，则默认为65535个脉冲。在方向信号输入为0时，默认为反转。根据控制要求，步进电机驱动器的细分设置为1，SW1-SW3的设置为000，步进电机的步距角为1.8°；电流设置为1.5A，SW5-SW7的设置为101。

2.3 梯形图和指令表。

3 步进电机控制系统的调试

3.1 初始化程序。程序开始运行时，D0初始值为K100，指定的频率为100Hz。

3.2 步进电动机正转。按下启动按钮X0，PLC的Y0脉冲输出，Y2高电平输出，步进电机正传运行。

3.3 正传加速调整。X2为正传加速按钮。当按下一次X2时，在步进电机运行的当前频率的基础上，以20Hz递增，于是步进电机转速增加。最多加速5次。

3.4 反转减速调整。X3为反转减速按钮。当按下一次X3时，在步进电机运行的当前频率的基础上，以20Hz递减，于是步进电机转速增加。最多减速4次。

本论文采用了PLC控制两相混合式步进电机的加减速，方法简单，控制方便，可靠性高。本论文中的程序通过现场实物调试，验证了方法的正确性和可行性。用软件完成脉冲分配功能，可以减少硬件资源，降低成本，控制的参数改变方法灵活，提高了控制系统的可靠性和灵活性。本文着重探索了步进电机的PLC控制的调速方法，详细介绍了步进电机调速的具体控制过程。文中有不妥之处，恳请斧正。

参考文献

1 龚仲华.三菱FX系列PLC应用技术.人民邮电出版社

2 常州双杰电子有限公司步进电机技术资料