基于PLC的步进电机控制系统设计
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2020-08-05
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基于基于PLC的步进电机控制系统设计的步进电机控制系统设计
本文基于设计步进电机控制系统的目的，主要设计以 PLC 为核心控制器的步进电机控制系统。在对常见的三相
反应式步进电动机工作原理详细阐述的基础上，对步进电机的控制原理进行分析说明。以西门子 S7 －200 系列
PLC 对步进电机的控制为例，通过对 S7 －200 系列 PLC 的高速输出点直接对步进电机进行运动控制的方案设
计，设计相应的外部接线图、程序，并对具体的控制参数进行说明。
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。
资源评论
AshleyK2023-07-28：作者通过对步进电机控制系统的设计要点进行简明扼要的描述，使读者能够迅速了解该领域的关键知识和技术。
体医杨金辉2023-07-28：该文件对PLC在步进电机控制中的应用进行了深入细致的探讨，使读者能够了解其在实际工程中的实施及其优势。
林祈墨2023-07-28：作者在解释步进电机的原理和控制过程时，用词质朴且准确，非常易于理解。
基鑫阁2023-07-28：该文件中的案例分析和实践经验能够帮助读者更好地理解和应用步进电机控制系统。
glowlaw2023-07-28：这份文件对于基于PLC的步进电机控制系统设计提供了很详实的介绍和说明。
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