基于PLC的步进电机转速控制装置设计

马仕麟 莫莉萍 李永杰 刘英杰

摘 要：本文介绍了一套PLC控制以步进电机驱动的两轴系统，配合轴上的编码器，实现步进电机速度的闭环控制，并且介绍了步进电机定位移动过程中的速度算法以及多段加速的频率整定方法。

关键词：步进电机；速度控制；PID；PLC

一、 设计背景

本文设计的步进电机转速控制装置是应用在一套灌装、搬运的实训装置上。以步进电机为XY十字滑台的驱动元件，连入光感、编码器进行零位节位置反馈，通过精确控制步进电机带动十字滑台上机械手的移动速度，实现加减速时液体不泼洒，准确放到指定位置的控制目的。其中本文介绍的步进电机转速控制是这套装置中的关键部分。目前虽可通过S7 200 smart CPU中的运动控制功能控制步进电机加减速，但无法直接实现多段加减速并实时反馈速度。所以在本套装置的每个轴上增加了编码器，作为反馈信号源。学生通过这样一个有反馈的闭环控制，实现步进电机的多段加速、减速控制，理解步进电机速度控制原理。

二、 系统组成

转速控制装置由XY十字滑台作为机械部分，步进电机及驱动、编码器、光感等元件作为电气部分。PLC作为控制器，触摸屏作为人机界面构成。系统结构框图如图1所示。触摸屏发送仓位信息给PLC，PLC通过仓位信息计算出移动到指定仓位所需的位移（脉冲数），并由内部程序控制发出脉冲信号，触发步进驱动，控制步进电机进行多段加减速。

（一） 十字滑台

十字滑台采用高精度丝杆配合滚珠式平面承重导轨，丝杠螺距为4mm。

（二） 步进电机及驱动

因负载及加速度并不是很大，故步进电机选用Kinco两相步进电机2S42Q0240（02940），额定电流为0.4A，电阻为12.5Ω，电感为21±20%mH，转矩为0.22Nm，步距角 1.8°。步进驱动器选用Kinco的2M412，两相驱动，最大能提供1.2A的电流，细分后每转脉冲数为400～51200。

（三） 编码器

编码器选用OMRON的E6B2CWZ6C旋转编码器，旋转一周可输出1000脉冲，PLC高速计数器口可以有效识别。通过编码器反馈的脉冲，可将当前轴的旋转速度反馈给PLC，通过程序计算，可在屏上显示当前转速及位置。

（四） PLC

本设备采用西门子S7200 SMART，CPU型号为ST40。带有六个高速计数器输入及三路脉冲输出，足够驱动十字滑台的两个轴及检测两轴的反馈信号。

三、 转速控制算法

步进电机的速度控制通常参考阶梯规律、直线规律及指数规律，其中指数控制可以保证步进电机加、减速的稳定性，但对于PLC控制而言过于困难。所以本装置采用分段直线规律控制，并且将加速、减速过程设定为对称的过程，以简化PLC程序。

设置加、减速的时间为运动总时间t的14，每段加减速都经过n次频率跳变（n越大则加减速越平缓），设此时步进驱动的细分数为X，每个脉冲滑台移动Sp，步进频率最高为fm，则有总位移表达式。

将步进电机在当前细分数下的Sp=螺距每转脉冲数代入式1，可得到一个位移与时间的关系，如式2所示。

故滑台移动到位时间t应如式3所示。

由时间t≥0，上述关于t的方程应有大于零的正根这一条件判断，推导出最大频率的取值应满足fm≤50000XS（t2-1）n，可由当前细分数X求出步进电机脉冲的最高频率fm，代回式3即可整定加减速时间的取值。

两个轴可用同样方法进行整定，整定好每段加速减速频率后，与编码器反馈当前轴的旋转频率进行比较，如有误差则通过一路PID通道调整PTO包络的当前频率，达到闭环控制的目的。

参考文献：

[1]周洋平.高精度微量液体加样装置的设计[D].重庆大学，2013.

[2]陈晓岚，胡晓波.用PLC实现步进梁的速度控制[J].电气应用，2006（09）：33-35.

[3]赵光伟，张帆，杨松立，王君普.步进电动机速度控制系统的设计[J].科技视界，2014（27）：53，71.

[4]張涛.步进电机快速定位方法研究[D].北方工业大学，2012.

作者简介：

马仕麟，莫莉萍，李永杰，刘英杰，江苏省常州市，常州机电职业技术学院。