论文部分内容阅读
摘要：步进电机的优点是控制精度特别高，因此在精度要求比较高的工业环境中应用非常广泛，本文主要介绍了利用可编程控制器来对步进电机控制进行研究设计的方法，且取得了比较好的应用效果。
关键词：电机控制 可编程控制器 步进电机
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-567-01
步进电机的控制精度很高，这是因为它主要通过三个控制量来加以控制，即位移、转速及转向。除开控制精度高的优点之外，它还具有控制起来简单方便的优点。这主要是因为它可以通过输入脉冲直接加以控制，输入脉冲的个数、频率及输入到电机各相绕组的相序将分别形成对步进电机位移、转速及转向的控制。正是因为步进电机具有控制精度高及控制简单这两个优点，才使得步进电机被广泛应用到了运动控制领域。目前，步进電机的需求量还在不断地扩大。
要想良好地控制步进电机的工作，所需要的控制器也必须具有精准的控制性能，可编程控制器（PLC）就具备这样的素质，可编程控制器主要是通过快速的发射脉冲来形成对步进电机的控制。他不但可以对数据进行非常精确的处理，而且还可以做到灵活迅速，操作起来特别方便。既可以利用软件也可以通过硬件来实现脉冲的分配。
一、步进电机的工作原理及特性
步进电机的工作原理是接受可编程控制器等发射出来的脉冲信号，在电机内部利用转换装置将其转换成位移量的控制信号，从而实现电机的控制。输入脉冲的数量将直接决定转子的角位移量，单位时间内发出的脉冲数将决定转子的角速度，至于转向问题将由输入到电机各相绕组的相序决定，而这可以通过控制通电顺序来实现。因此，通过控制输入脉冲的特性便可实现对步进电机运转的良好控制。步进电机跟其他电机一样，在开始启动之后，要经历一个加速过程才能到达高速稳定运行状态。为了实现这样一个加速的过程，必须控制可编程控制器在单位时间内输入的脉冲数目也要有一个成比例增加的过程。同理，步进电机在停止运行的时候为了不损坏电机也必须经历一个减速再到停运的过程。在这个过程中依然要注意控制好输入脉冲的频率使之能够成比例减少。由于电机在低于222Hz的频率运行时依然有可能会损坏，因此电机运行的最低频率不能低于220Hz。一般将这个最低限度值定在350Hz。
下面将对步进电机的工作特性做一些总结。
1）步进电机对于脉冲的响应非常敏捷，因此对步进电机进行增减速等操作时十分容易跟方便。
2）步进电机的速度调节范围非常广泛，这也是它运行安全可靠的重要组成原因。
3）步进电机将严格根据输入脉冲的输入指令来进行运转，没有积累误差，这同样是其运行安全可靠的重要组成原因。
二、步进电机的控制原则
现有的步进电机多采用开环控制，这主要是因为它具有较好的跟随特性，能够实现无差控制。按照脉冲生成器及分配器分别采用的软硬件结构的不同，步进电机可以被分为四类，即硬脉冲生成器硬脉冲分配器结构、软脉冲生成器软脉冲分配器结构、软脉冲生成器硬脉冲分配器结构。若按照控制器的种类进行分类，又可分为PLC控制、单片机控制等。本文将重点对PLC控制的步进电机进行介绍。
用PLC对步进电机进行控制，需要知道PLC 高速脉冲输出时需要的频率及 PLC 的位宽。前者可由脉冲频率来确定，后者则由脉冲数量来加以确定。为了能够更好地完成PLC的选择，我们还需要进行一些相关的计算，根据计算的结果才能确定PLC所需要完成的功能，以此来进行功能模块的选择。下面将对步进电机的一些重要参数做一些介绍。启动频率，是指超过电机运行的最低频率限度值而又恰好能够使电机启动的最低频率。停止频率，也是在不超过最低频率限度值的基础上，使得电机不超过预定位置的最高频率。启动频率、停止频率都必须在负载的基础上来加以确定，因为它们都是对转速进行控制的关键数据信息。
三、步进电机 PLC 控制系统的硬件设计
以硬件方式实现对PLC控制的系统结构图如图1所示。
图中除开负载之外的部分被统称为系统的硬件部分。上位机其实就是一台电脑，也是人进行工作以及对整个系统实现控制的地方。通过它可以与PLC进行沟通，方便随时了解整个系统的运行状态，以及必要时对整个系统进行控制。驱动器在其中将负责将负责把PLC的脉冲指令信息传达给步进电机以实现对步进电机位移量、角速度及方向的控制。如果在运行过程中需要完成对步进电机的一些手动操作，这时候就需要通过PLC发送脱机指令给驱动器，让其断开与步进电机的连接。手动工作完成后同样可通过驱动器重新实现连接，恢复正常运行状态。
在选择确定以上各硬件系统的组成元器件的时候，同样需要遵循一定的规则。
PLC的选择。在对PLC进行选择时，我们除了要遵循元件选择的一般型原则之外，最重要是满足PLC所需要实现的功能，即能够高速的发出脉冲以便更好地控制步进电机。因此，在进行PLC的设计时，我们一定要加入可以满足这种功能的模块来实现高速发出脉冲的功能。
步进电机的选择。一个步进电机的型号由步进电机的步距角、静力矩、电流所决定，因此在进行步进电机型号的选取时，一定要先确定电机的步距角、静力矩及电流。而这三大要素的确定又都离不开具体的负载，负载的大小决定静力矩的大小，静力矩一经确定，可通过参考资料直接查出流过电机的电流。另外电机的步距角将取决于对负载进行控制所要求达到的精度要求。一旦这三大要素得到了确定，采用的步进电机也就确定下来了。
驱动器的选择。由于驱动器是连接PLC及步进电机的元器件，它的作用是为了帮助PLC更好地实现对于步进电机的控制，因此它的选择将取决于它所连接的PLC及步进电机。首先，它需要保持自身输入信号的极性与PLC的极性相一致，然后它的选择还必须结合所选步进电机的相数及电流大小来加以确定。另外，为了适应步进电机的高精度控制要求，驱动器还具备了一个附加功能即它可以进行功能细分，而且它还可以根据具体的控制精度要求及所连接的步进电机的性质要求来选择合适的细分等级。这样不但可以提高步进电机的控制精度，而且还可以使步进电机的速度调节范围更广。
四、步进电机 PLC 控制系统的软件设计
要想对步进电机进行控制，除了完成各硬件部分的选型及连接后，还需要通过上位机编制一段控制程序，利用上位机编制控制程序需采用一定的指令语言，程序编制好后还需要经过编译、调试等步骤，在程序确定无误后即可传送至可编程控制器即PLC中，完成PLC的脉冲输出指示。
要想完成从上位机到PLC的指令程序输送，还需要采用查询判断的方式来完成接口程序的编制。整个过程介绍如下：上位机所发出的数据信息一方面要通过专用线路进行封装保存，另一方面还得等候得到PLC的中断应予，只有PLC在完成中断之后，才能开始接受数据信息。整个过程看似非常复杂，这是为了保证数据信息的可靠传输，但实际操作起来，也不过是几微秒的事。
五、结语
利用PLC来对步进电机进行控制，不但可以满足高精度的要求，而且可以将非常繁杂的控制工作变得简便易施，在很短的时间内就可以完成，提高了数据传输的可靠性。总之PLC的应用不但有助于提高步进电机的控制精度，而且还可以满足安全可靠、方便快捷等要求。
参考文献：
[1]罗妍， 李志蜀， 王汾雁.PLC 控制的步进电机频率曲线优化技术研究[J].四川大学学报（ 自然科学版） ， 2011，5
[2]季汉棋.用 PLC 控制数字变频器改变异步电动机转速的实现[J].轻工机械， 2011
关键词：电机控制 可编程控制器 步进电机
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）32-567-01
步进电机的控制精度很高，这是因为它主要通过三个控制量来加以控制，即位移、转速及转向。除开控制精度高的优点之外，它还具有控制起来简单方便的优点。这主要是因为它可以通过输入脉冲直接加以控制，输入脉冲的个数、频率及输入到电机各相绕组的相序将分别形成对步进电机位移、转速及转向的控制。正是因为步进电机具有控制精度高及控制简单这两个优点，才使得步进电机被广泛应用到了运动控制领域。目前，步进電机的需求量还在不断地扩大。
要想良好地控制步进电机的工作，所需要的控制器也必须具有精准的控制性能，可编程控制器（PLC）就具备这样的素质，可编程控制器主要是通过快速的发射脉冲来形成对步进电机的控制。他不但可以对数据进行非常精确的处理，而且还可以做到灵活迅速，操作起来特别方便。既可以利用软件也可以通过硬件来实现脉冲的分配。
一、步进电机的工作原理及特性
步进电机的工作原理是接受可编程控制器等发射出来的脉冲信号，在电机内部利用转换装置将其转换成位移量的控制信号，从而实现电机的控制。输入脉冲的数量将直接决定转子的角位移量，单位时间内发出的脉冲数将决定转子的角速度，至于转向问题将由输入到电机各相绕组的相序决定，而这可以通过控制通电顺序来实现。因此，通过控制输入脉冲的特性便可实现对步进电机运转的良好控制。步进电机跟其他电机一样，在开始启动之后，要经历一个加速过程才能到达高速稳定运行状态。为了实现这样一个加速的过程，必须控制可编程控制器在单位时间内输入的脉冲数目也要有一个成比例增加的过程。同理，步进电机在停止运行的时候为了不损坏电机也必须经历一个减速再到停运的过程。在这个过程中依然要注意控制好输入脉冲的频率使之能够成比例减少。由于电机在低于222Hz的频率运行时依然有可能会损坏，因此电机运行的最低频率不能低于220Hz。一般将这个最低限度值定在350Hz。
下面将对步进电机的工作特性做一些总结。
1）步进电机对于脉冲的响应非常敏捷，因此对步进电机进行增减速等操作时十分容易跟方便。
2）步进电机的速度调节范围非常广泛，这也是它运行安全可靠的重要组成原因。
3）步进电机将严格根据输入脉冲的输入指令来进行运转，没有积累误差，这同样是其运行安全可靠的重要组成原因。
二、步进电机的控制原则
现有的步进电机多采用开环控制，这主要是因为它具有较好的跟随特性，能够实现无差控制。按照脉冲生成器及分配器分别采用的软硬件结构的不同，步进电机可以被分为四类，即硬脉冲生成器硬脉冲分配器结构、软脉冲生成器软脉冲分配器结构、软脉冲生成器硬脉冲分配器结构。若按照控制器的种类进行分类，又可分为PLC控制、单片机控制等。本文将重点对PLC控制的步进电机进行介绍。
用PLC对步进电机进行控制，需要知道PLC 高速脉冲输出时需要的频率及 PLC 的位宽。前者可由脉冲频率来确定，后者则由脉冲数量来加以确定。为了能够更好地完成PLC的选择，我们还需要进行一些相关的计算，根据计算的结果才能确定PLC所需要完成的功能，以此来进行功能模块的选择。下面将对步进电机的一些重要参数做一些介绍。启动频率，是指超过电机运行的最低频率限度值而又恰好能够使电机启动的最低频率。停止频率，也是在不超过最低频率限度值的基础上，使得电机不超过预定位置的最高频率。启动频率、停止频率都必须在负载的基础上来加以确定，因为它们都是对转速进行控制的关键数据信息。
三、步进电机 PLC 控制系统的硬件设计
以硬件方式实现对PLC控制的系统结构图如图1所示。
图中除开负载之外的部分被统称为系统的硬件部分。上位机其实就是一台电脑，也是人进行工作以及对整个系统实现控制的地方。通过它可以与PLC进行沟通，方便随时了解整个系统的运行状态，以及必要时对整个系统进行控制。驱动器在其中将负责将负责把PLC的脉冲指令信息传达给步进电机以实现对步进电机位移量、角速度及方向的控制。如果在运行过程中需要完成对步进电机的一些手动操作，这时候就需要通过PLC发送脱机指令给驱动器，让其断开与步进电机的连接。手动工作完成后同样可通过驱动器重新实现连接，恢复正常运行状态。
在选择确定以上各硬件系统的组成元器件的时候，同样需要遵循一定的规则。
PLC的选择。在对PLC进行选择时，我们除了要遵循元件选择的一般型原则之外，最重要是满足PLC所需要实现的功能，即能够高速的发出脉冲以便更好地控制步进电机。因此，在进行PLC的设计时，我们一定要加入可以满足这种功能的模块来实现高速发出脉冲的功能。
步进电机的选择。一个步进电机的型号由步进电机的步距角、静力矩、电流所决定，因此在进行步进电机型号的选取时，一定要先确定电机的步距角、静力矩及电流。而这三大要素的确定又都离不开具体的负载，负载的大小决定静力矩的大小，静力矩一经确定，可通过参考资料直接查出流过电机的电流。另外电机的步距角将取决于对负载进行控制所要求达到的精度要求。一旦这三大要素得到了确定，采用的步进电机也就确定下来了。
驱动器的选择。由于驱动器是连接PLC及步进电机的元器件，它的作用是为了帮助PLC更好地实现对于步进电机的控制，因此它的选择将取决于它所连接的PLC及步进电机。首先，它需要保持自身输入信号的极性与PLC的极性相一致，然后它的选择还必须结合所选步进电机的相数及电流大小来加以确定。另外，为了适应步进电机的高精度控制要求，驱动器还具备了一个附加功能即它可以进行功能细分，而且它还可以根据具体的控制精度要求及所连接的步进电机的性质要求来选择合适的细分等级。这样不但可以提高步进电机的控制精度，而且还可以使步进电机的速度调节范围更广。
四、步进电机 PLC 控制系统的软件设计
要想对步进电机进行控制，除了完成各硬件部分的选型及连接后，还需要通过上位机编制一段控制程序，利用上位机编制控制程序需采用一定的指令语言，程序编制好后还需要经过编译、调试等步骤，在程序确定无误后即可传送至可编程控制器即PLC中，完成PLC的脉冲输出指示。
要想完成从上位机到PLC的指令程序输送，还需要采用查询判断的方式来完成接口程序的编制。整个过程介绍如下：上位机所发出的数据信息一方面要通过专用线路进行封装保存，另一方面还得等候得到PLC的中断应予，只有PLC在完成中断之后，才能开始接受数据信息。整个过程看似非常复杂，这是为了保证数据信息的可靠传输，但实际操作起来，也不过是几微秒的事。
五、结语
利用PLC来对步进电机进行控制，不但可以满足高精度的要求，而且可以将非常繁杂的控制工作变得简便易施，在很短的时间内就可以完成，提高了数据传输的可靠性。总之PLC的应用不但有助于提高步进电机的控制精度，而且还可以满足安全可靠、方便快捷等要求。
参考文献：
[1]罗妍， 李志蜀， 王汾雁.PLC 控制的步进电机频率曲线优化技术研究[J].四川大学学报（ 自然科学版） ， 2011，5
[2]季汉棋.用 PLC 控制数字变频器改变异步电动机转速的实现[J].轻工机械， 2011