西门子PLC的步进电机直接控制
本文根据传统步进电机控制中的不足和缺点，将PLC直接控制技术运用于步进电机的控制。该系统解决了传统控制技术中的各部分硬件的设计、选型、接口匹配往往要花费设计者一很大的精力和劳动，接口信号的匹配以及各器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大等缺点。
本文根据PLC控制步进电机的控制特点及其原理，把软件控制和硬件电路互相结合起来，形成整体的控制，有效的克服了它们的缺点而发挥了它们的优势。本文详细阐述了该系统中PLC（西门子）直接控制步进电机的实现方法、系统的各部件的组成、各部件的连接情况。
第一章 绪 论
1.1引言
近年来，在国际上出现了Mechanics和electronics复合成Mechtronics这个新词，我国译为“机电一体化”。这种机械和电子技术、信息技术紧密结合的新的学科领域是先进制造技术研究和普及的结果。机电一体化产品要实现电器控制的实时性、高可靠性、可编程和一定的人工智能。同时追求体积小、价格低，甚至低功耗等。正是针对上述种种要求而设计的PLC自然成为机电一体化控制器的较佳选择。
步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。80年代以后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制
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方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型计算机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力，因此，用微型计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。步进电机控制技术和普通电动机控制技术的不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。
由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流与直流电源接通后，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着接通切换频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关，现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。
步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在使用数控机床的生产制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也应用在其他方面，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中等等。 微电子技术的飞速发展，带动了机械加工技术的飞速发展。而在其发展过程中，最显著的特点是机械制造将越来越密切地依赖于电子技术、检测技术、自动控制技术、计算机技术、系统论、信息论等现代科学技术。
传统的步进电机控制方式由控制器产生控制指令，环形分配器根据指令将输入的单一脉冲串，按土作方式和转向分别依次向连接到步进电机各相绕组的功率放大器分配脉冲，以便形成旋转磁场。这种方式的各部分硬件的设计、选型、接口匹配往往要花费设计者一很大的精力。接口信号的匹配以及儿器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大。现代控制系统中，PLC作为一种广泛应用
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于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。为了配合步进电机的控制，许多PLC都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行直接控制。这种控制方式的优点是：大大减少系统设计的工作量，不存在各部分接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。整个控制系统由PLC和步进电机组成。PLC具有实时刷新技术，输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高，使得脉冲分配能有很高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。并且，PLC有采用大功率晶体管的输出端口，能够满足步进电机各相绕组数10V级脉冲电压、1A级脉冲电流的驱动要求。
第二章 方案论证比较设计
2.1PLC技术的发展概述
可编程控制器(简称 PLC) 是种数字运算操作的电子系统 ,是在20 世纪 60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。它采用可编程序的存储器 ,其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、计数和算术运算等操作指令 ,并通过数字的、模拟的输入和输出 ,控各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备 ,都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。PLC 自产生至今只有 30 多年的历史 ,却得到了迅速发展和广泛应用 ,成为当代工业自动化的主要支柱之一。 产生和发展过程现代社会要求生产厂家对市场的需求做出迅速的反应 ,生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求 ,迫使人们去寻找一种新的控制装置取而代之。
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，
1、中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能
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接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
2、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
2.2PLC技术在步进电机控制中的发展状况
随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围。继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小。对电动机进行综合设计。即把转子位置传感器, 减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起, 这样使其能方便地组成一个闭环系统, 因而具有更加优越的控制性。向五相和三相电动机方向发展，目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。
目前利用可编程序控制器（即 P L C 技术）可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作，它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现。
用PLC对步进电机也具有良好的控制能力，利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能，现对步进电机的控制。
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步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件,每当对其施加一个电脉冲时,其输出轴便转过一个固定的角度。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比,其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比,其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序,便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。PLC直接控制步进电机系统由PLC和步进电机组成,PLC具有实时刷新技术,输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高,使得脉冲分配能有很高的分配速度,充分利用步进电机的速度响应能力,提高整个系统的快速性。并且,PLC有采用大功率晶体管的输出端口,能够满足步进电机各相绕组数10V级脉冲电压、1A级脉冲电流的驱动要求。
有以上步进电机的工作原理以及工作方式我们可以看出：
控制步进电机最重要的就是要产生出符合要求的控制脉冲。西门子PLC本身带有高速脉冲计数器和高速脉冲发生器，其发出的频率最大为10KHz，能够满足步进电动机的要求，与硬件连接相比对于环形脉冲分配器和功率放大器的功能则对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC最好是具有实时刷新技术的PLC,使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使环形脉冲分配能有较高的分配速度,充分利用步进电机的速度响应能力,提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管,以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。如下图所示
输入信号 PLC
图2-1 步进电机的PLC直接控制
步进电机
2.3步进电机的发展状况
步进电动机是一种将数字脉冲信号转换成机械角位移或者线位移的数模转换元件。在经历了一个大的发展阶段后, 目前其发展趋于平缓。然而, 由于步进电动机的工作原理和其它电动机有很大的差别, 具有其它电动机所没有的特性。因此,沿着小型、高效、低价的方向发展。
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西门子PLC的步进电机直接控制
