浅析步进电机的PLC控制技术

范俊

摘 要：可编程逻辑控制器，又称“PLC控制系统”，是一种数字运算操作的电子系统，是为了实现工业环境下的控制而设计的。它可以代替继电器等完成逻辑运算、顺序控制和定时计算，并且可以通过数字或模拟信号输出的形式实现工业控制。其与微型电脑的控制系统类似，在工程应用中发挥着十分重要的作用。

关键词：步进电机；PLC控制；工业控制；驱动模块

中图分类号：TM383.6 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.142

步进电机的运行需要对应的步进电机驱动模块驱动，将微处理器发出的微弱脉冲信号进行信号放大，使步进电机能够识别。步进电机的运转速度由微处理器提供的脉冲信号直接控制，因此，只需调节未处理输出的脉冲信号频率就可以实现步进电机的准确控制。根据脉冲信号的数量，可以准确转动精确的角位移，通过少量脉冲信号控制的方式可以实现电机的启动、停止和反向运转操作。由于其具有易于操作且控制精度高的特点，被各行各业广泛使用。

可编程控制器（Programmable Logic Controller）是现代工业控制中新一代的控制系统，其具有操作界面简单易懂、易于上手、可操作性强等优点。利用可编程控制系统可以准确地控制步进电机的转动角度和速度，其脉冲信号既可以由软件直接获得，也可以通过相应的硬件系统产生。本文将分析通过硬件系统产生脉冲信号的方式，驱动步进电机的运转，实现步进电机角度的准确旋转。

1 步进电机的优缺点

工业自动化的实现在很大程度上依赖于电机的精确控制，因此，电机的运动控制对现代工业与经济发展起着重要的推动作用。随着科学技术与微电子技术的高速发展，电机的控制已经脱离简单的转动与停止功能，而转变为对转速、转角、加速度等精确参数的准确控制，使得被控制的机械结构能够根据设计者要求的方式运动。

步进电机正好能满足设计者对机械结构的设计要求，满足一定的负载要求。使用者可以通过微处理器发送脉冲信号控制电机进行角位移或线位移。通常，我们所介绍的步进电机是步进电机与相对应的电机驱动模块的结合。当接收到来自处理器的脉冲信号后，就转动一个固定大小的角度。步进电机不像其他类电机，比如直流电机那样，直接且连续地做增量转动，而是逐步完成使用者的要求。因此，要实现转动角度的变化，只需要提供相应的脉冲信号，就可以准确地控制。在控制的过程中，可以通过改变脉冲的产生频率调整电机的转速和加速度。除此之外，步进电机还具有以下多个优点：①无刷。步进电机是典型的无刷电机，相比其他的内部含有电刷装置的电机而言，其转动时更加稳定和可靠。②与负载无关。在没有超过负载限制时，步进电机的运行和转动完全不受到影响，不会有转角与转速的偏差。③无累积误差。尽管步进电机每一步的转动可能存在一定的角度误差，但当电机转动一整周之后，其累计误差总和为零。④步距角与环境无关。步进电机的固定转动角度是由电机出厂设置所决定的，与使用过程中的温度、湿度或者电流大小无关。⑤易于控制。在控制过程中，只要改变脉冲的数量与频率就可以实现电机的角度确定与转速控制。

2 步进电机的控制系统

步进电机的工作原理是将数字/模拟信号转化为角度或者位移的变化量，它是一种单项数据转化元器件。当步进电机获取到来自中央处理的模拟信号输出滞后时，驱动电机执行相应次数的转动，满足系统设定的角度变化值，符合生产时的相序规定，并且有脉冲信号的传输，则步进电机可以由步进电机驱动装置直接控制运转。目前，我们通常使用的步进电机共有3种，即反应式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet，PM）和混合式（Hybrid Stepping，HS）。对于可编程控制器的选择，本文采用国产无锡信捷XCC-32T，其具有以下几个优点：①运算速度比以前的处理系统更快。与上一代XC系列相比，运算速度加快了3倍多。②信号输出口更丰富。最多可支持5路IO口共同输出，频率也比上一代产品更高。③拥有丰富的外设。可以在外部添加各种参数模块，实现软件编写者需要实现的功能。④兼容性更强。能兼容上一代XC系列的产品。⑤支持多种运算方式。可以用PID等控制算法进行算法优化，实现步进电机的精确控制。

步进电机软硬件结合的方式使得无论是软件电路，还是硬件电路的设计都十分重要。因此，最基础的步进电机的硬件电路直接决定了整个系统能否按照设计者的设计思路转动。特别值得注意的是，无论是在同一个主程序流程中，还是子程序中，也无论脉冲指令是否相同，程序设计方法的实现都不能对同一个输出Y编写2条或2条以上的脉冲输出指令。在进行多脉冲指令的执行过程中，有以下3种方法：①书写多个流程或子程序，但每个流程或子程序中都有且只有一条同一端口输出的脉冲指令。②在主程序中只书写一条脉冲指令，相关数据全部为寄存器。当使用时，提前修改好相关参数的值，再导通脉冲的前提条件。当然，前提是多处需要使用的是同一条脉冲输出指令。③通过顺序功能块BLOCK，其原则是支持多条脉冲的。

3 结束语

通过可编程控制系统可以精确地控制步进电机的转速与角位移变化量，稳定地实现电机的各种转动要求，实现复杂工程的重复运转。作为现代化工业设备中重要的自动化系统，可编程控制系统被广泛应用于工业零件制作及零食、包装加工行业中。可编程控制系统对步进电机的精确控制分析，有助于推动现代化自动控制系统的发展。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕