范俊

摘 要：可編程邏輯控制器，又稱“PLC控制系統(tǒng)”，是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是為了實現(xiàn)工業(yè)環(huán)境下的控制而設(shè)計的。它可以代替繼電器等完成邏輯運算、順序控制和定時計算，并且可以通過數(shù)字或模擬信號輸出的形式實現(xiàn)工業(yè)控制。其與微型電腦的控制系統(tǒng)類似，在工程應(yīng)用中發(fā)揮著十分重要的作用。

關(guān)鍵詞：步進電機；PLC控制；工業(yè)控制；驅(qū)動模塊

中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.142

步進電機的運行需要對應(yīng)的步進電機驅(qū)動模塊驅(qū)動，將微處理器發(fā)出的微弱脈沖信號進行信號放大，使步進電機能夠識別。步進電機的運轉(zhuǎn)速度由微處理器提供的脈沖信號直接控制，因此，只需調(diào)節(jié)未處理輸出的脈沖信號頻率就可以實現(xiàn)步進電機的準確控制。根據(jù)脈沖信號的數(shù)量，可以準確轉(zhuǎn)動精確的角位移，通過少量脈沖信號控制的方式可以實現(xiàn)電機的啟動、停止和反向運轉(zhuǎn)操作。由于其具有易于操作且控制精度高的特點，被各行各業(yè)廣泛使用。

可編程控制器（Programmable Logic Controller）是現(xiàn)代工業(yè)控制中新一代的控制系統(tǒng)，其具有操作界面簡單易懂、易于上手、可操作性強等優(yōu)點。利用可編程控制系統(tǒng)可以準確地控制步進電機的轉(zhuǎn)動角度和速度，其脈沖信號既可以由軟件直接獲得，也可以通過相應(yīng)的硬件系統(tǒng)產(chǎn)生。本文將分析通過硬件系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖信號的方式，驅(qū)動步進電機的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)步進電機角度的準確旋轉(zhuǎn)。

1 步進電機的優(yōu)缺點

工業(yè)自動化的實現(xiàn)在很大程度上依賴于電機的精確控制，因此，電機的運動控制對現(xiàn)代工業(yè)與經(jīng)濟發(fā)展起著重要的推動作用。隨著科學(xué)技術(shù)與微電子技術(shù)的高速發(fā)展，電機的控制已經(jīng)脫離簡單的轉(zhuǎn)動與停止功能，而轉(zhuǎn)變?yōu)閷D(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、加速度等精確參數(shù)的準確控制，使得被控制的機械結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)設(shè)計者要求的方式運動。

步進電機正好能滿足設(shè)計者對機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，滿足一定的負載要求。使用者可以通過微處理器發(fā)送脈沖信號控制電機進行角位移或線位移。通常，我們所介紹的步進電機是步進電機與相對應(yīng)的電機驅(qū)動模塊的結(jié)合。當接收到來自處理器的脈沖信號后，就轉(zhuǎn)動一個固定大小的角度。步進電機不像其他類電機，比如直流電機那樣，直接且連續(xù)地做增量轉(zhuǎn)動，而是逐步完成使用者的要求。因此，要實現(xiàn)轉(zhuǎn)動角度的變化，只需要提供相應(yīng)的脈沖信號，就可以準確地控制。在控制的過程中，可以通過改變脈沖的產(chǎn)生頻率調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速和加速度。除此之外，步進電機還具有以下多個優(yōu)點：①無刷。步進電機是典型的無刷電機，相比其他的內(nèi)部含有電刷裝置的電機而言，其轉(zhuǎn)動時更加穩(wěn)定和可靠。②與負載無關(guān)。在沒有超過負載限制時，步進電機的運行和轉(zhuǎn)動完全不受到影響，不會有轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的偏差。③無累積誤差。盡管步進電機每一步的轉(zhuǎn)動可能存在一定的角度誤差，但當電機轉(zhuǎn)動一整周之后，其累計誤差總和為零。④步距角與環(huán)境無關(guān)。步進電機的固定轉(zhuǎn)動角度是由電機出廠設(shè)置所決定的，與使用過程中的溫度、濕度或者電流大小無關(guān)。⑤易于控制。在控制過程中，只要改變脈沖的數(shù)量與頻率就可以實現(xiàn)電機的角度確定與轉(zhuǎn)速控制。

2 步進電機的控制系統(tǒng)

步進電機的工作原理是將數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)化為角度或者位移的變化量，它是一種單項數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化元器件。當步進電機獲取到來自中央處理的模擬信號輸出滯后時，驅(qū)動電機執(zhí)行相應(yīng)次數(shù)的轉(zhuǎn)動，滿足系統(tǒng)設(shè)定的角度變化值，符合生產(chǎn)時的相序規(guī)定，并且有脈沖信號的傳輸，則步進電機可以由步進電機驅(qū)動裝置直接控制運轉(zhuǎn)。目前，我們通常使用的步進電機共有3種，即反應(yīng)式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet，PM）和混合式（Hybrid Stepping，HS）。對于可編程控制器的選擇，本文采用國產(chǎn)無錫信捷XCC-32T，其具有以下幾個優(yōu)點：①運算速度比以前的處理系統(tǒng)更快。與上一代XC系列相比，運算速度加快了3倍多。②信號輸出口更豐富。最多可支持5路IO口共同輸出，頻率也比上一代產(chǎn)品更高。③擁有豐富的外設(shè)?？梢栽谕獠刻砑痈鞣N參數(shù)模塊，實現(xiàn)軟件編寫者需要實現(xiàn)的功能。④兼容性更強。能兼容上一代XC系列的產(chǎn)品。⑤支持多種運算方式?？梢杂肞ID等控制算法進行算法優(yōu)化，實現(xiàn)步進電機的精確控制。

步進電機軟硬件結(jié)合的方式使得無論是軟件電路，還是硬件電路的設(shè)計都十分重要。因此，最基礎(chǔ)的步進電機的硬件電路直接決定了整個系統(tǒng)能否按照設(shè)計者的設(shè)計思路轉(zhuǎn)動。特別值得注意的是，無論是在同一個主程序流程中，還是子程序中，也無論脈沖指令是否相同，程序設(shè)計方法的實現(xiàn)都不能對同一個輸出Y編寫2條或2條以上的脈沖輸出指令。在進行多脈沖指令的執(zhí)行過程中，有以下3種方法：①書寫多個流程或子程序，但每個流程或子程序中都有且只有一條同一端口輸出的脈沖指令。②在主程序中只書寫一條脈沖指令，相關(guān)數(shù)據(jù)全部為寄存器。當使用時，提前修改好相關(guān)參數(shù)的值，再導(dǎo)通脈沖的前提條件。當然，前提是多處需要使用的是同一條脈沖輸出指令。③通過順序功能塊BLOCK，其原則是支持多條脈沖的。

3 結(jié)束語

通過可編程控制系統(tǒng)可以精確地控制步進電機的轉(zhuǎn)速與角位移變化量，穩(wěn)定地實現(xiàn)電機的各種轉(zhuǎn)動要求，實現(xiàn)復(fù)雜工程的重復(fù)運轉(zhuǎn)。作為現(xiàn)代化工業(yè)設(shè)備中重要的自動化系統(tǒng)，可編程控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)零件制作及零食、包裝加工行業(yè)中?？删幊炭刂葡到y(tǒng)對步進電機的精確控制分析，有助于推動現(xiàn)代化自動控制系統(tǒng)的發(fā)展。

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〔編輯：劉曉芳〕