0 引言
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数; 做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。因此步进电机具有快速启停、精确步进以及能直接接收数字量的特点。由于步进电动机能直接接受数字量的控制，所以特别适宜采用微处理器、微机及PLC 进行控制。
1 步进电机工作原理
目前常用的有 3 种步进电动机: 1) 反应式步进电动机( VR) 。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小; 但动态性能差。2) 永磁式步进电动机( PM) 。永磁式步进电动机出力大，动态性能好; 但步距角大。3) 混合式步进电动机( HB) 。混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。
图 1 是最常见的三相反应式步进电动机的结构示意图。图中 1，2，3 分别为电动机的定子、转子和绕线线圈。电机的定子上有 6 个均布的磁极，其夹角是 60°。各磁极上套有线圈，如图连成 A、B、C 三相绕组。转子上均布 40 个小齿。所以每个齿的齿距为 θE= 360° /40 = 9°，而定子每个磁极的极弧上也有 5 个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是 30 和 40，其比值为一分数，从而产生了所谓的齿错位的情况。如图所示，若以 A 相磁极小齿和转子的小齿对齐，那么 B 相和 C 相磁极的齿就会分别和转子齿相错 1/3的齿距，即 3°。B、C 极下的磁阻会比 A 磁极下的磁阻大。假如给 B 相通电，B 相绕组会产生定子磁场，其磁力线穿越该相磁极，并会按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到磁阻转矩( 反应转矩) 的作用而转动，直到 B 磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过 3°; 此时 A、C 磁极下的齿又分别与转子齿错开1 /3 齿距。此时停止对 B 相绕组通电，而改为 C 相绕组通电，同理受磁阻转矩的作用，转子按顺时针方向再转过 3°。依次类推，当三相绕组按 A→B→C→A 顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，每个通电脉冲转动 3°的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按 A→C→B→A 顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动 3°的规律转动。因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按 3 种通电状态循环通电，称为单三拍运行方式。单三拍运行时的步矩角 θb为 30°。除此以外三相步进电动机还有两种通电方式，分别是双三拍运行，即按 AB→BC→CA→AB 顺序循环通电的方式和单、双六拍运行，即按 A→AB→B→BC→C→CA→ A 顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。
图 1 三相反应式步进电机结构示意图
反应式步进电动机的步距角可按下式计算:θb= 360° / NEr( 1)式中: Er为转子齿数; N 为运行拍数，N = km，m 为步进电动机的绕组相数，k =1 或 2。
2 步进电机的控制原理
步进电机作为一种控制精密位移及大范围调速专用的电机，它的旋转是以自身固有的步距角( 转子与定子的机械结构所决定) 一步一步运行的，其特点是每旋转一步，步距角始终不变，能够保持精密准确的位置。所以无论旋转多少次，始终没有积累误差。由于控制方法简单，成本低廉，广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行需要有脉冲分配的功率型电子装置进行驱动，这就是步进电机驱动器。它接收控制系统发出的脉冲信号，按照步进电机的结构特点，顺序分配脉冲，实现控制角位移、旋转速度、旋转方向、制动加载状态、自由状态。控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就能够驱动步进电机旋转一个步距角。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。角位移量与脉冲个数相关。步进电机停止旋转时，能够产生两种状态: 制动加载能够产生最大或部分保持转矩( 通常称为刹车保持，无需电磁制动或机械制动) 及转子处于自由状态( 能够被外部推力带动轻松旋转) 。步进电机驱动器必须与步进电机的型号相匹配，否则将会损坏步进电机及驱动器。步进电机典型控制原理如图 2 所示。
图 2 步进电机控制原理图
1) 控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如: 三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为 A － B－ C － D，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制 A，B，C，D 相的通断。
2) 控制步进电机的转向
如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。
3) 控制步进电机的速度
如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。2 个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
4) 控制步进电机的角位移控制输入给步进电机的脉冲数目可以控制步进电机的角位移。
3 步进电机的 PLC 控制
随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有效结合，可进行模拟量控制，具有远程通信功能等。有人将其称为现代工业控制的三大支柱( 即 PLC、机器人、CAD/CAM) 之一。目前 PLC 已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具。
以西门子 S7 － 200 PLC 为例，可以使用 S7 －200 系列 PLC 的高速输出点直接对步进电机进行运动控制。S7 －200 系列 PLC 配有 2 个 PTO/PWM 发生器，它们可以产生一个高速脉冲串或者一个脉冲调制波形。一个发生器的输出点是 Q0． 0，另一个发生器输出点是 Q0． 1。当 Q0． 0 和 Q0． 1 作为高速输出点时，其普通输出点被禁用，此时输出的波形不受输出映像寄存器的状态、输出强制和立即输出指令的影响。而当不作为 PTO/PWM 发生器时，Q0． 0 和Q0． 1 可作为普通输出点使用。一般情况下，PTO /PWM 输出负载至少为 10% 的额定负载。脉冲输出指令( PLS) 配合特殊存储器用于配置高速输出功能。这些特殊寄存器分为三大类: PTO/PWM 功能状态字、PTO / PWM 功能控制字和 PTO /PWM 功能寄存器。脉冲串操作( PTO) 按照给定的脉冲个数和周期输出一串方波 ( 占空比 50%) 。PTO 可以产生单段脉冲串或者多段脉冲串( 使用脉冲包络) 。PTO 脉冲个数范围为 1 ～4 294 967 295，周期为 10 ～65 535 μs 或者 2 ～65 535 ms。某设备上有一套步进驱动系统，步进驱动器的型号 为 SH － 2H042Ma，步 进 电 动 机 的 型 号 为17HS111，是两相四线直流 24 V 步进电动机。要求: 压下按钮 SB1 时，步进电机带动设备运行，当设备靠近接近开关 SQ1 时停止。PLC 与步进驱动器和步进电动机的接线如图 3 所示。
图 3 PLC 与驱动器和步进电动机的接线图
系统选用的是两相四线的步进电机，其引出线分别与步进驱动器的 A + 、A － 、B + 、B － 端子相连。在该控制系统中，PLC 不能直接与步进驱动器相连，因为步进驱动器的控制信号是 +5 V，而西门子 PLC的输出信号是 + 24 V。因此可以在 PLC 与步进驱动器中间串联一只2 kΩ 的电阻，起到分压作用。此外，步进驱动器有共阴和共阳两种接法，与具体的控制信号有关系，西门子 PLC 输出信号是 + 24 V 信号，所以采用共阴极接法。
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 是高速输出点 Q0． 0 的 PTO 控制寄存器。SMB67 =16#85 的含义是 PTO 允许、选择PTO 模式、单段操作、时间基准为微秒、PTO 脉冲更新和 PTO 周期更新。SMB67 =16#82 的含义是 PTO允许、选择 PTO 模式、单段操作、时间基准为微秒、PTO 脉冲不更新和 PTO 周期不更新。SMW68 = 250的含义是 PTO 为 250 μs。SMD72 =80000 的含义是PTO 脉冲个数为 80 000。
使用 PTO/PWM 功能相关的特殊寄存器 SM 需要注意以下几点:
1) 如 果 要 装 入 新 的 脉 冲 数 ( SMD72 或SMD82) 、脉冲宽度 ( SMW70 或 SMW80) 或者周期( SMW68 或 SMW78) ，应该在执行 PLC 指令前装入这些数值到控制寄存器。
2) 如果要手动终止一个正在进行的 PTO 包络，要把状态字中的用户终止位( SM66． 5 或 SM76． 5)置 1。
3) PTO 状态字中的空闲位( SM66． 7 或 SM76． 7)标志着脉冲输出完成。
4 小结
步进电机在工业生产等诸多领域被广泛应用，合理选择步进电机的控制方式是非常必要的。科学合理地选择和设计步进电机的控制方式，必须先弄清步进电机的基本工作原理。利用 PLC 实现步进电机的控制程序简捷、清晰，具有良好的控制效果。但是，S7 －200 系列的 PLC 要使用其高速输出点控制步进电动机，必须具备两个条件，一是 PLC 必修有高速输出点，二是输出点必须是晶体管输出，继电器输出的 PLC 即使有高速输出点也不能控制步进电机。此外，S7 －200 系列的 PLC 集成的高速输出点的频率不够高，使其使用范围有限。基于以上种种，在对步进电机控制系统进行设计时，要根据具体的控制要求选用合理的控制方案。
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本文标题：基于PLC的步进电机控制系统设计
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