马猛
徐州燃烧控制研究院有限公司 江苏徐州 221000
摘要：步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。本研究以PLC为控制核心，通过PLC向步进电机输出方向信号、脉冲信号，分别控制步进电机的方向和角位移，实现对步进电机的时间和角度两种模式控制，并通过组态王上位机软件实现对电机的监控。该套设备运用于实验室立体仓库教学设备，对控制立体仓库XYZ三轴运动的准确定位起到了关键作用。
关键词：PLC;步进电机;模式控制;组态王软件
1步进电机的工作机理
步进电机是机电控制系统中的一种常用执行机构，主要是通过对每相线圈中的电流和顺序切换来使电机作步进式旋转。一般来说，机电控制系统中的驱动电路由脉冲信号来控制，调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速，达到调速的目的。步进电机三相六拍运行的供电方式为A—AB—B—BC—C—CA—A，每一循环换接6 次，共有6 种通电状态。当A 相通电时，转子齿1、3 和定子磁极A、A'对齐。当控制绕组A 相B 相同时通电时，转子齿2、4 受到反应转矩使转子逆时针方向转动，转子逆时针转动后，转子齿1、3 与定子磁极A、A'轴线不再重合，从而转子齿1、3 也受到一个顺时针的反应转矩，当这2 个方向相反的转矩大小相等时，电机转子停止转动。当A 相控制绕组断电而只由B 相控制绕组通电时，转子又转过一个角度使转子齿2、4 和定子磁极B、B'对齐，三相六拍运行方式两拍转过的角度刚好与三相单三拍运行方式一拍转过的角度一样，即三相六拍运行方式的步距角为15°。接下来的通电顺序为BC—C—CA—A，运行原理和步距角与前半段A—AB—B 一样，即通电方式每变换一次，转子继续按逆时针转过一个步距角。如果改变通电顺序，按A—AC—C—CB—B—BA—A 顺序通电，则步进电机顺时针一步一步转动，步距角也是15°。因此可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。由此可知，同一台步进电机，其通电方式不同，步距角可能不一样。本设计步进电机工作方式采用的是三相六拍。
2步進电机控制系统的总体方案设计
步进电机在工业及制造行业中得到了广泛的应用，比如车床的三轴滑台运动，立体三轴微雕刻技术等。步进电机的运动精度和模式控制非常重要，本研究基于时间和角度两种模式对步进电机的运动进行控制。
2.1系统硬件框图
该系统由欧姆龙PLC、上位机、驱动器、步进电机、24V电源和负载所组成。如图1所示，PLC为整个系统的控制核心，通过PLC向步进电机驱动器发送PULS脉冲指令，从而实现电机的正转和反转两种运行状态，负载跟随步进电机实现左/右运动。电机在运行过程中，PLC与上位计算机通过RS485接口与PLC实现实时通信，实现了步进电机运行状态在组态界面的实时显示。组态界面对电机运行模式有两种控制方式，分别为时间控制和角度控制钮，可实现步进电机运行状态的实时控制和动态显示。
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图 1 步进电机 PLC 控制系统框图
2.2步进电机控制流程图
步进电机控制系统的控制流程如图2所示。首先选择电机正/反转按钮，通过上位机输入定时值或者定角度值，然后选择对应的定时或者定角度按钮，PLC会根据给定时间或者角度发出相应的脉冲数，该脉冲数会以固定的频率驱使步进电机做相应的正/反转运动，上位机组态软件中可以看到步进电机也按照给定的定时间或定角度与实际步进电机实时同步运行。
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图 2 步进电机控制流程图
2.3系统接线图
接线如图3所示，系统配有启动和停止按钮，分别接PLC输入0.00和0.01。100.00接电机驱动器的方向信号DIR-，100.01接脉冲信号CP-，100.02接使能信号，步进电机接驱动器的两相A+、A-和B+、B-。电源使用24V直流电源，为了给驱动器提供5V电压，对驱动器加限流电阻R（2K），
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图 3 步进电机驱动器接线图
3系统实现
3.1PLC程序设计
本研究通过欧姆龙CP1H系列PLC的编程软件CX-Program7.3进行梯形图程序编写。程序用到的主要指令有PULS，SPEED等，通过指令PULS向驱动器发脉冲，SPEED指令端口设置进行正/反转选择，通过条件判断选择定时或定角度程序运行。
定时：脉冲频率和脉冲个数决定了步进电机根据给定时间运行对应角度。在本研究中，脉冲频率为固定值10Hz，只需要根据给定时间计算出对应的脉冲步数，就可实现在给定时间步进电机旋转到对应角度的目的。
定角度：步进电机的角度通过脉冲步数来控制，所以在PLC中只能把角度转换成步数来控制，程序中采用PLC除法语句来实现将角度转化成脉冲步数。采用的步距角是1.0度，用100除以100得到1.0的步距角，然后用所要定的角度再除以步进角1.0得到的数据就是控制定位角的脉冲步数。随后在组态界面直接输入数值为角度即可。
3.2步进电机监控画面设计
步进电机画面主要由启动按钮、停止按钮、方向选择、实验模式选择按钮，时间输入、角度输入、时间和角度实时值显示、指示灯等组成。
3.3步进电机实物调试
本研究所选用的电机为两项混合式步进电机，驱动器型号为DMD402A。由于步距角存在理论与实际上的差异，因此实际用的步进角是根据多次实验而得来的。给步进电机不同的频率和不同的脉冲个数，记录每次转过的角度，通过不同的角度计算出每次的步进角，然后算出对应细分下的步进角，即所需的步进角。经多次测试，最终选取驱动器的细分数为20，系统控制频率为10Hz，步距角为1.0度。
通过上位机设置与PLC通讯方式及设备硬件连接，完成与PLC通讯，界面中输入给定的时间或角度，选择相应的时间或角度开始按钮，界面显示目前步进电机的实时运行状态。
经过多次试运行、调试及数据比较，最终当输入给定时间或给定角度时，步进电机都能按照预期的给定值准确的运行。组态监控画面也能实时动态并准确的监控步进电机的运行动态，达到了预期的效果。
4结束语
步进电机作为开环控制系统，控制简单，操作性强，在自动化行业中被广泛应用。本研究通过对步进电机PLC程序设计、组态界面监控，实现了步进电机的定时间和定角度控制，为步进电机控制应用提供了两种模式，具有一定的参考和应用价值。
参考文献：
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[2]盛彬.PLC步进电机控制技术[J].现代制造技术与装备，2018（11）：167，169.
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