武汉理工大学华夏学院毕业设计 3.PLC控制步进电机工作原理
3.1 步进电机原理简述
步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械角位移的机电元件，每一个脉冲信号可以使步进电机前进一步，转过的角度与控制脉冲的个数呈严格的正比关系。其运行速度与控制脉冲频率呈严格的正比关系，正是这个特点，使其可以和现代数字控制技术相结合，成为比较理想的执行元件。步进电机主要应用于开环位置控制系统中。目前步进电机在数控机床、计算机外围设备、钟表、包装机械、食品机械中得到广泛的应用。
步进电机由定子和转子两部分组成。以二相步进电机为例，定子上有两组相对的磁极，每对磁极缠有同一绕组，形成一相。定子和转子上分布着大小、间距相同的多个小齿。当步进电机某一相通电形成磁场后，在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导率（或最小磁阻）的位置。步进电机接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机转过一个步距角θ，对于一个m相n拍的步进电机来说，每走完n拍，转子就转过一个齿距角φ，所以齿距角φ与步距角θ的关系为：
???n?360转子齿数?n
从控制原理上，步进电机可以分为反应式、永磁式和混合式步进电机三大类；按照控制绕组的相数可以分为两相、三相、四相……。
3.2步进电机主要参数
① 相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，用ｍ表示。
② 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，或指步进电机走过一个齿距角所需脉冲数，用ｎ表示。
③ 齿距角：步进电动机的转子上均匀地分布着许多小齿，相邻两个小齿的中心线间的角度称为齿距角，用φ表示。
④步距角：对应一个脉冲信号，步进电机转过的角位移，用θ表示。
本设计中用到的步进电机为两相步进电机。该步进电机转子共有50个齿，所以齿距角为7.2°。电机每相电流为0.2A，相电压为5V。
3.3步进电机驱动电路
本设计中用到的步进电机的驱动电路图如图3.1所示
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图3.1 两相步进电机驱动电路图
图中TL1～TL4对应的是面板上的插孔。图中标注的A及A，B及B分别表示步进电机的定子的两相绕组的四个端子。
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⑸ 两相步进电机的通电方式：
①单四拍通电方式：每次只有一相绕组通电，四拍构成一定循环。两相绕组按照A—B—A—B—A的次序轮流通电。每拍转子转动4转子齿距。
② 双四拍通电方式：每次有两相绕组同时通电，两相控制绕组按AB—BA—AB—BA—AB的次序轮流通电。每拍转子转动的角度与单四拍相等都是4转子齿距，但与单四拍的空间定位不重合。
③ 单、双八拍的通电方式：上两种通电方式的循环拍数等于4，称为满步通电方式。若通电方式等于8，称为半步通电方式，即按A—AB—B—BA—A—AB—B—BA—A的次序通电。每拍转子转动8转子齿距。
⑹ 在上述通电方式中，改变通电的循环方向即可改变步进电机的转动方向，改变通电的频率，即可改变步进电机的转速。
1113.4 PLC控制步进电机的设计思路
3.4.1 步进电机控制方式
典型的步进电机控制系统如图所示：
3.2 典型的步进电机控制系统
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，日前其发展趋向平缓。然而，其基本原理是不变的，即：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脉冲顺序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的顺序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。步进电机的机理是基于最基本的电磁铁作用，可简单地定义为，根据输人的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机:从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机。
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武汉理工大学华夏学院毕业设计 步进电机的控制和驱动方法很多，按照使用的控制装置来分可以分为:普通集成电路控制、单片机控制、工业控制机控制、可编程控制器控制等几种；按照控制结构可分为:硬脉冲生成器硬脉冲分配结构(硬-硬结构)、软脉冲生成器软脉冲分配器结构(软-软结构)、软脉冲生成器硬脉冲分配器结构(软-硬结构)。
1．硬——硬结构
如图3.6所示，这种步进电机的控制驱动系统由硬件电路脉冲生成器、硬件电路脉冲分配器、驱动器组成。这种控制驱动方式运行速度比较快，但是电路复杂，功能单一。
2．软——软结构
如图3.7所示，这种步进电机的控制驱动系统由软件程序脉冲生成器、软件程序脉冲分配器、驱动器组成，而软件脉冲生成器和脉冲分配器都有微处理器或微控制器通过编程实现。用单片机、工业控制机、普通个人计算机、可编程序控制器控制步进电机一般均可采用这种结构。这种控制驱动方法电路结构简单、可以实现复杂的功能，但是占用CPU时间多，给微处理器运行其他工作造成困难。
3．软——硬结构
如图3.8所示，这种步进电机的控制驱动系统由软件脉冲生成器、硬件脉冲分配器和硬件驱动器组成。硬件脉冲分配器是通过脉冲分配器芯片(如8713芯片)来实现通电换相控制的。这种控制驱动方法电路结构简单、可以实现复杂的功能，同时占用CPU时间较少，用可编程控制器全部实现了控制器和驱动器的功能。在PLC中，由软件代替了脉冲生成器和脉冲分配器，直接对步进电机进行并行控制，并且由PLC输出端口直接驱动步进电机。如图3.7所示，这是一种软-软结构，脉冲生成器和脉冲分配器均有可编程序控制器程序实现。
图3.3 硬硬结构控制
图3.4 软软结构控制
图3.5 软硬结构控制
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武汉理工大学华夏学院毕业设计 3.4.2 西门子PLC控制步进电机
由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。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。其目的是使脉冲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。
对输入电机的相关脉冲控制，从而达到对步进电机两相绕组的24V直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。
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基于西门子S7—300的步进电机控制
