PLC步進(jìn)電機控制技術(shù)研究

黃河清

（南昌大學(xué)共青學(xué)院，江西 九江 332020）

0 引言

PLC屬于工業(yè)控制及刷機，處理更加精確，并且處理速度快，具有極高的配置靈活性，可有效發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制功能的作用。步進(jìn)電機結(jié)合PLC，能夠?qū)烧咧g的長處進(jìn)行更好的發(fā)揮，并且豐富計算機模塊功能，應(yīng)用性強、性價比高。所以，相關(guān)工作者應(yīng)對PLC步進(jìn)電機控制技術(shù)進(jìn)行積極探索，促使其更好地發(fā)展和應(yīng)用，發(fā)揮其在控制裝置領(lǐng)域中的作用[1]。

1 步進(jìn)電機系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

步進(jìn)電機結(jié)構(gòu)主要包括驅(qū)動電源、步進(jìn)電機模塊、PLC和其他相關(guān)電路設(shè)備等，UPS接口電源對系統(tǒng)電源供應(yīng)進(jìn)行控制，其能夠確保任何時間的系統(tǒng)安全和連續(xù)的供電工作。

1.1 PLC控制模塊

德國西門子公司生產(chǎn)的S7-200晶體輸出管不但可以安全穩(wěn)定地運行系統(tǒng)，并且可以確保系統(tǒng)及時響應(yīng)，S7-200內(nèi)部安置兩個脈沖發(fā)生器，設(shè)備最大輸出脈沖20kHz，選擇供應(yīng)模式存在脈沖寬輸出和脈沖串輸出兩種?；谳敵瞿Ｊ綖镻T0的前提條件下，工作人員可對機器設(shè)備出現(xiàn)脈沖的數(shù)量和時間進(jìn)行有效控制，利用計算機實時控制脈沖程度，并且，基于輸出模式為PWM的條件下，可先對一些占空間的脈沖進(jìn)行輸出，用戶依靠自己就能夠?qū)γ}沖的數(shù)量和周期進(jìn)行控制。不管是哪一種脈沖輸出方式，均要通過內(nèi)部輸出指令才能進(jìn)行應(yīng)用。

1.2 觸摸顯示屏

使用PRO-FACE作為步進(jìn)電機的觸摸屏幕，通過對接PLC和PPI兩個接口，于電腦端口編程FACE軟件，并將其在PLC內(nèi)部進(jìn)行安裝，PLC可對之前的系統(tǒng)程序進(jìn)行利用，利用FACE軟件對指令進(jìn)行更改，使輸出變?yōu)榭刂?，進(jìn)而保證步進(jìn)電機的工作狀態(tài)正常。觸摸顯示屏內(nèi)部顯示以下圖標(biāo)：首先，啟動界面在觸摸屏中最顯眼，對比其他圖標(biāo)，占據(jù)面積最大，啟動圖標(biāo)控制顯示屏的開和關(guān)，控制顯示屏的方式按照需要來進(jìn)行選擇，第一種為手動，第二種為自動；其次，數(shù)據(jù)輸出界面內(nèi)具有特殊的小鍵盤，只不過平常被隱藏起來，該設(shè)備可以獨立控制輸入方向和速度；再次，在顯示屏內(nèi)部，具有相關(guān)裝置可以實現(xiàn)報警和監(jiān)測功能，但最主要的還是接收信號[2]。

2 步進(jìn)電機控制技術(shù)的工作原理以及特性

2.1 步進(jìn)電機控制技術(shù)的工作原理

步進(jìn)電機可以把電脈沖信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化，成為對應(yīng)的直線位移或角位移的執(zhí)行體系，通過控制電脈沖信號實施。因為電脈沖信號對步進(jìn)電機進(jìn)行控制，步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子速度和角位移量會和輸入脈沖的頻率和數(shù)量嚴(yán)格地形成正比，進(jìn)而在角位移數(shù)量控制中，利用脈沖數(shù)量對其進(jìn)行控制，顯著提升定位的精確性。步進(jìn)電機還可以利用脈沖頻率對電機轉(zhuǎn)動的加速度和速度進(jìn)行有效控制，從而做到對電機轉(zhuǎn)動額實時調(diào)速。同時，還可以對通電的順序進(jìn)行變化，對步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行改變。

2.2 步進(jìn)電機控制技術(shù)的特性

步進(jìn)電機有著十分豐富的種類，基于此，對其按照結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，主要包括混合式步進(jìn)電機、永磁式步進(jìn)電機、反應(yīng)式步進(jìn)電機。同時，按照步進(jìn)電機的相數(shù)也可以對其進(jìn)行劃分，主要為多相、兩相、單相。第一，步進(jìn)電機輸入脈沖量應(yīng)進(jìn)行控制，和轉(zhuǎn)子角位移量的商是一定的，而且運轉(zhuǎn)七天后的步進(jìn)電機不存在積累誤差，具有良好的跟隨性。第二，步進(jìn)電機想要保持正常的工作狀態(tài)，應(yīng)基于脈沖電源實施供電的情況下才能夠?qū)崿F(xiàn)，并且步進(jìn)電機中只能采用該電源，其他電源無法在其中發(fā)生作用。第三，運行過程中，步進(jìn)電機可能會有失步和振蕩的狀況發(fā)生，想要有效避免，需要采用相應(yīng)的方法處理機械負(fù)載和控制系統(tǒng)。第四，運行過程中步進(jìn)電機能夠敏捷地進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)，提升了停機和啟動的便利性，并且還能夠有效控制電機的轉(zhuǎn)動速度和旋轉(zhuǎn)方向。第五，運行過程中的步進(jìn)電機會產(chǎn)生較大的震動和噪音，這降低了步進(jìn)電機的帶慣性負(fù)載能力，所以，需要使用控制技術(shù)對步進(jìn)電機的震動和噪音進(jìn)行調(diào)節(jié)。因為步進(jìn)電機會與驅(qū)動器電路構(gòu)成開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較高的性價比，具有簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且具有較高的可靠性[3]。

3 步進(jìn)電機的優(yōu)缺點

在一定程度上，實現(xiàn)工業(yè)自動化是依靠對電機的精確控制，所以，在現(xiàn)代經(jīng)濟和現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中，電機運動控制具有重要意義。隨著我國科技的發(fā)展以及計算機技術(shù)的進(jìn)步，電機控制也得到發(fā)展，原先的轉(zhuǎn)動和停止功能已經(jīng)停用，開始精準(zhǔn)控制轉(zhuǎn)速、加速度等相關(guān)參數(shù)，根據(jù)設(shè)計者的需求，使機械結(jié)構(gòu)的運動按照設(shè)想的方式進(jìn)行。采用步進(jìn)電機能夠滿足設(shè)計者的相關(guān)需求，還可以滿足負(fù)載需求。發(fā)送脈沖信號時，可通過微處理器實施，對電機角、線位移進(jìn)行有效控制。一般情況下，我們所說的步進(jìn)電機屬于結(jié)合電機驅(qū)動模塊。其處理器的脈沖信號接收到以后，就會進(jìn)行角度的調(diào)節(jié)并進(jìn)行固定。不同于其他類型的電機，步進(jìn)電機不需要連續(xù)且直接地進(jìn)行增量運動，例如直流電機，而是要求使用者逐步完成。所以，要想對角度轉(zhuǎn)動的變化進(jìn)行實現(xiàn)，只需提供相應(yīng)的脈沖信號，對步進(jìn)電機準(zhǔn)確控制。過程中，想要對電機的加速度和轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，可以對脈沖頻率進(jìn)行變化。同時，步進(jìn)電機優(yōu)勢眾多。第一，無刷。作為電性的無刷電機，與其他具有內(nèi)部電刷裝置的電機進(jìn)行比較，步進(jìn)電機的可靠性更強，穩(wěn)定性也更強。第二，無關(guān)負(fù)載。當(dāng)步進(jìn)電機的負(fù)載限制沒有被超過時，依舊能夠保持正常的運行和轉(zhuǎn)動，工作狀態(tài)正常，不會存在偏差情況。第三，無累積誤差。每一次轉(zhuǎn)動過程中，步進(jìn)電機均有幾率出現(xiàn)誤差，但整周轉(zhuǎn)動之后，誤差累積相加等于零。第四，環(huán)境無關(guān)步距角。出廠設(shè)置上，步進(jìn)電機的固定轉(zhuǎn)動角度就已經(jīng)被設(shè)定，和步進(jìn)電機使用中的電流大小、濕度、溫度沒有關(guān)系。第五，方便控制。步進(jìn)電機控制期間，想要控制電機轉(zhuǎn)速和角度，只需要對脈沖頻率和數(shù)量進(jìn)行改變。

4 PLC步進(jìn)電機控制技術(shù)

4.1 控制原理

因為驅(qū)動和控制步進(jìn)電機有多種方法，再加上自身具有良好的跟蹤性能和無累積誤差，步進(jìn)電機大部分以開環(huán)式控制終端為控制系統(tǒng)。運用PLC步進(jìn)電機控制技術(shù)過程中，硬件部分的組成主要包括驅(qū)動器、PLC控制器、控制面板等。控制面板利用PLC的監(jiān)控通信和操作工作過程，多數(shù)使用人機交互界面，控制PLC的手段為計算機或者采用觸摸屏，發(fā)出方向以及脈沖信號，控制步進(jìn)電機運行，可采用驅(qū)動器完成。驅(qū)動器選擇時應(yīng)按照PLC輸出信號的極性確定。為了對電機的控制精度和運行性能進(jìn)行改善，一般會選擇具有細(xì)分功能的驅(qū)動器。通過PLC控制步進(jìn)電機時，保證PLC的高速脈沖輸出功能?？刂瓶删幊踢壿嬁刂撇竭M(jìn)電機時，啟動頻率為不失步響應(yīng)的最高頻率，停止頻率表示系統(tǒng)控制信號突然斷掉。步進(jìn)電機停止和啟動頻率需要對負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行適應(yīng)，科學(xué)控制相關(guān)數(shù)據(jù)，對步進(jìn)電機的運行進(jìn)行保障，采用可編程邏輯控制器控制步進(jìn)電機的運行，快速計算出脈沖頻率和脈沖量，進(jìn)而對相應(yīng)的功能和PLC進(jìn)行選擇[4]。

4.2 程序的創(chuàng)建

應(yīng)用PLC步進(jìn)電機控制技術(shù)時應(yīng)對相應(yīng)的程序進(jìn)行創(chuàng)建，一般情況下，包括以下步驟：編譯下載程序、創(chuàng)建應(yīng)用程序、操作測試位控模塊、組態(tài)位控模塊等。想要有效控制步進(jìn)電機的位置和速度，需要對EM253位控模塊實施包絡(luò)表和組態(tài)。EM253位控模塊作為對PLC的一個功能擴展，可以產(chǎn)生脈沖并將其運用于步進(jìn)電機中，開環(huán)控制步進(jìn)電機的位置和速度。組態(tài)EM253過程中，應(yīng)按照控制系統(tǒng)的位控向?qū)?、控制要求和硬件配置的組態(tài)過程實施創(chuàng)建。組態(tài)內(nèi)容中應(yīng)包括以下部分：調(diào)整時間參數(shù)、設(shè)置手動參數(shù)、電機運行速度等。基于步進(jìn)電機控制系統(tǒng)硬件，需要反向定位控制和正向定位控制步進(jìn)電機，并且還要控制步進(jìn)電機的響應(yīng)速度和最小速度以及最大速度。通過PLC擴展功能模塊實施組態(tài)，不能保證大部分參數(shù)的準(zhǔn)確性，因此在調(diào)試期間，應(yīng)不斷改變參數(shù)，確保參數(shù)的最佳值。通過測試和對位控模塊組態(tài)后，可按照控制系統(tǒng)需求對位控子程度進(jìn)行選擇，并能夠在應(yīng)用程序中實現(xiàn)這個功能，期間需要刪除沒有使用的子程序，增加程序容量。編制程序之后，需要不斷調(diào)試參數(shù)，編譯最優(yōu)的參數(shù)，最后將其下載至PLC中，完成程序的創(chuàng)建[5]。

4.3 實際應(yīng)用以及使用效果

立足于相關(guān)研究，在可編程邏輯控制器內(nèi)部對設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行運用，發(fā)出高速脈沖指令，采用計數(shù)器實現(xiàn)步進(jìn)電機的智能和手動切換，設(shè)計者通過改進(jìn)可編程邏輯控制器的開環(huán)運動措施，提升了系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性。利用德國的普洛菲斯液晶顯示屏幕，發(fā)布操作人員的日常工作指令，從而實時監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行。將信號反饋工序進(jìn)行使用，能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全的運行，將微型體積變速箱加在輸出端口，因為轉(zhuǎn)速箱的功能和作用，可以讓角位移變?yōu)橹本€位移，滿足多種伸縮結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求。研究人員將該系統(tǒng)進(jìn)行實際運用，作為基礎(chǔ)支架，多次使用和測試之后，發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機可將所有的實驗要求基本實現(xiàn)，無法控制的范圍在0.5毫米之內(nèi)。

4.4 內(nèi)部硬盤的工作原理

步進(jìn)電機所有硬盤的組成均包括接口、磁頭控制器、控制電機、主軸、片頭等，其中所有硬件片頭均在主軸，固定在一個轉(zhuǎn)軸上，子片均為平行分布，同時子片之間需要保持一定的距離，將磁頭安置在上方，子片和磁頭之間的距離應(yīng)縮小得非常微小。盡管磁頭較為微小，但是控制器在磁頭上面可對所有的磁頭運動進(jìn)行控制并反轉(zhuǎn)，由于磁頭的運動，子片也會進(jìn)行高速的運動旋轉(zhuǎn)，基于以上工作原理，盤片上面的磁頭可以在指定位置對相應(yīng)的信息進(jìn)行讀取。為了保持工作過程中磁頭的穩(wěn)定狀態(tài)，在硬盤不同的情況下，還會針對實際狀況對內(nèi)部磁頭實施固定，如果硬盤中的子片運行停止，或者轉(zhuǎn)速不達(dá)標(biāo)，磁頭的鎖定裝置在一個指定位置固定，這就是硬盤活動過程中，響聲為什么會出現(xiàn)，因為響聲是內(nèi)部鎖定裝置而出現(xiàn)的[6]。

5 結(jié)語

綜上所述，步進(jìn)電機的控制系統(tǒng)多數(shù)為開環(huán)控制系統(tǒng)，基于對可編程邏輯控制器的擴展功能模塊進(jìn)行有效運用，從而反饋步進(jìn)電機的位置和速度，同時再對PLC控制技術(shù)的脈沖計數(shù)功能進(jìn)行結(jié)合，有效閉環(huán)控制步進(jìn)電機。目前，隨著社會水平的不斷提升和PLC技術(shù)的提升，步進(jìn)電機功能越來越多，其指令速度也得到增強。控制步進(jìn)電機過程中，僅需要使用小型PLC就可達(dá)到理想效果。PLC步進(jìn)機控制技術(shù)優(yōu)勢顯著，不但開發(fā)周期短，運行效率高，而且操作十分簡單，可有效控制各種步進(jìn)電機系統(tǒng)，這對步進(jìn)電機控制方面而言，具有極高的應(yīng)用價值。