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摘要：步进电机以其独特的优势被广泛的应用到各个生产领域，而近年来随着可编程控制器技术的快速发展，基于PLC控制步进电机的需求越来越被使用者看重！本文正是通过PLC对步进电机的控制，旨在找到一种更快速准确控制电机的方法。
关键词：步进电机、脉冲、控制
分类号】：TM383.6
1. 步进电机概述
步进电机是电机家族的“婴儿”，20 世纪 60 年代早期才开始流行。最初构想是作为昂贵的位置控制应用中伺服电机的低成本替代产品，而新兴的计算机工业迅速将其采用到外设应用当中。步进电机的主要优势在于能提供开环位置控制，而成本只是需要反馈的伺服系统的几分之一。
在过去，步进电机有时被误称为“数字”电机，因为它们常用正交方波驱动。但是，对这些电机的这种狭隘看法常常会在以后的项目开发过程中导致大难题。步进电机像其它磁“模拟”电机一样产生扭矩。多数步进电机的阻尼因数很低，导致一定步频下的欠阻尼运行和对谐振问题的敏感度。虽然步进电机有很多的不足但是因为其有成熟的技术和稳定的性能再加上高的性价比，在制造、玩具等领域得到了广泛的应用！
2.步进电机的工作原理
步进电机的转动的位移是由电机的控制系统发出的脉冲来决定的。简单的讲就是：控制系统发射一个一个脉冲信号给电机的驱动器，电机就会按照特定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。而脉冲个数和发射的频率用控制步进电机的位移和速度，两者的结合就可以达到控制电机的目的；在额定负载状况下，电机的速度与位移是由脉冲信号参数决定的，与所受负载变化的没有关系，意思是给电机一个脉冲，电机就对应的转过固定的角度。
大多数步进电机的线圈是由三相组成的即A、B、C三相。工作时是靠不同相轮换通电来完成电机磁场的变化继而实现电机的转动。例如，当A相通电，其它两相不通电时，根据法拉第磁场定理，齿1与A对齐。以此类推，给B相通电时，其它两相不通电时，齿2应与B对齐，这时转子向右移过1/3て，而这时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。当C相通电时，另两相相不通电时，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て。
3.PLC对步进电机的控制
1）控制原则：步进电机所能达到的不失步的最高频率就是“启动频率”；与此类推，当控制系统发出停止信号步进电机能停到预定位置的最高步进频率称为“停止频率”。同时电机各个参数的设定还要考虑到电机负载的转动惯量，只有电机的参数与负载得的转动惯量相适应才能对电机进行有效准确的控制。选用PLC控制步进电机时，应事先对系统的脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量有一定的了解，这样才能选择性价比高的PLC及其相应的功能模块。PLC高速脉冲输出时需要的频率的确定是通过系统的脉冲频率决定的，而PLC的位宽是通过系统脉冲的数量来选择的。
2）转速控制：电机的转速是由驱动器的脉冲频率决定的。
当相邻脉冲的间隔发生变化时，控制ABCD四相绕组的控制时序也将相应的发生改变，这就是通入电机绕组的速率发生改变进而使电
机转动的速度发生改变，所以调节输人脉冲的速率是控制步进电机速度的一种有效的方法。
3）步进电机转动方向的控制：步进电机方向的改变是通过调节
步进电机各绕组的通电顺序来改变的，例如以三相单三拍步进
电机为例，当其线圈的通电时序为A-B-C时电机正转；当绕组的通电顺序为A-C-B顺序时电机反转。
4）步数控制：步进电机的角位移与输给驱动器的脉冲的数量成正比，脉冲越多则电机位移越大。因此可以根据步进
电机的输出位移量确定PLC输出的脉冲个数，即可实现对步进
电机的步数控制。
n =△L/δ
式中△L为步进电机的输出位移量（mm），δ为机构的脉冲当量（mm/脉冲）。
4.PLC控制系统
1.）驱动电路
通过对步进电机工作原理及工作方式的研究可知，准确控制输给步进电机脉冲的数量与频率是PLC控制步进电机的关键。而PLC发产生的
脉冲信号是弱电，其提供的信号不能直接驱动步进电动机，因此在设计PLC控制步进电机的电路时还得设计配套使用的驱动器用来实现步进电机的控制。
2.）步进电机的PLC控制方法。
转速控制：由脉冲发生器产生不同周期T的控制脉冲，通过脉冲控制器的选择，再通过环形分配器使三个输出继电器YO，Y1，Y2按照单拍的通电方式接通。（2）正、反转控制：通过正、反转驱动环节（调换相序），改变YO，Y1，Y2接通的顺序，以实现步进电机的正、反转控制。（3）步数控制：通过脉冲计数器，控制单拍时序脉冲数，以实现对步进电机步数的控制。
4.PLC控制步进电机所要面临的问题
这些问题常常使步进电机比其它电机拓扑更难对付。多数步进电机采用双凸极设计，转子和定子结构上均有齿。如同 BLDC 或 PMSM
电机，永久磁性位于转子上，电磁包含在定子中。多数设计包含 2 个定子相位，由正交相位信号独立驱动。驱动这些相位有许多方法，包括全步进、半步进或微步进，取决于使用的控制技术。每种情况下都会确定子磁通矢量，转子上的磁性将尝试与该矢量保持一致。由于转子和定子的齿数不同，产生的移动或步进可能极小。对齐之后，定子电流立即按这种方式发生变化，以增加定子磁通矢量角度，从而使电机移动到下一个步进。由于多数应用中没有位置反馈，转子磁通可以与定子磁通保持一致，这会产生无助于电机运行的定子电流。因此，步进电机没有其它常用電机那样有效。由于多数步进电机的步进角相对较小，因此不是高速应用的最佳选择。某些应用需要定子电流来完全更改每个步进的极性。与定子线圈关联的电感通常会阻止这
种变化，电流达到新水平需要一段时间。步频较高时，电流再次变化之前可能无法完全达到稳定状态值。因此，驱动相位的电压必须以更快的速度增加，以使电流变化更快。但最终会达到增益递减点，此时就无法再进行高速运行。如前所述，步进设计因其固有的低阻尼因数，常常受到共振问题的困扰。这会增加可闻噪声，严重情况下还会导致错误步进。为了消除这些问题（并增加步进分辨率），步进绕线通常使用正弦波形驱动，而非方波。这时，电机称为微步进。在微步进应用中驱动步进的一种常用方法是，将每个线圈置于单独的 H 桥电路
中，然后利用处理器中的 PWM 调节正弦波形。但设计者必须记住，增加步进分辨率不一定会增加步进精度，尤其是在开环应用中。
正是步进电机本身的不足，给PLC控制电机系统的设计带来很多的难题，需要以后逐步的克服。
小结
本文通过对步进电机工作原理及PLC对其控制方法的研究，总结了PLC控制步进电机的一些方法和指导原则，这将对步进电机的高效利用起到促进的作用！
参考文献
[ 1] 张万忠. 可编程控制器应用技术[M] . 北京： 化学工业出版社，2001.
[ 2 ] 郑瑜平. 可编程控制器[M] . 北京： 北京航空航天大学出版社，1997.
[ 3] 上海乐兹科技发展有限公司. 三菱微型可编程控制FX2N 编程手册[ Z] . 上海： 上海乐兹科技发展有限公司， 2005.
[ 4] 北京艾博瑞林电子公司.步进电机驱动使用说明书[ Z] . 北京： 北京艾博瑞林电子公司， 2005.
[ 5] 季汉棋. 用PLC 控制数字变频器改变异步电动机转速的实现[ J] .轻工机械， 2006， 24（ 1）： 104- 106
关键词：步进电机、脉冲、控制
分类号】：TM383.6
1. 步进电机概述
步进电机是电机家族的“婴儿”，20 世纪 60 年代早期才开始流行。最初构想是作为昂贵的位置控制应用中伺服电机的低成本替代产品，而新兴的计算机工业迅速将其采用到外设应用当中。步进电机的主要优势在于能提供开环位置控制，而成本只是需要反馈的伺服系统的几分之一。
在过去，步进电机有时被误称为“数字”电机，因为它们常用正交方波驱动。但是，对这些电机的这种狭隘看法常常会在以后的项目开发过程中导致大难题。步进电机像其它磁“模拟”电机一样产生扭矩。多数步进电机的阻尼因数很低，导致一定步频下的欠阻尼运行和对谐振问题的敏感度。虽然步进电机有很多的不足但是因为其有成熟的技术和稳定的性能再加上高的性价比，在制造、玩具等领域得到了广泛的应用！
2.步进电机的工作原理
步进电机的转动的位移是由电机的控制系统发出的脉冲来决定的。简单的讲就是：控制系统发射一个一个脉冲信号给电机的驱动器，电机就会按照特定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。而脉冲个数和发射的频率用控制步进电机的位移和速度，两者的结合就可以达到控制电机的目的；在额定负载状况下，电机的速度与位移是由脉冲信号参数决定的，与所受负载变化的没有关系，意思是给电机一个脉冲，电机就对应的转过固定的角度。
大多数步进电机的线圈是由三相组成的即A、B、C三相。工作时是靠不同相轮换通电来完成电机磁场的变化继而实现电机的转动。例如，当A相通电，其它两相不通电时，根据法拉第磁场定理，齿1与A对齐。以此类推，给B相通电时，其它两相不通电时，齿2应与B对齐，这时转子向右移过1/3て，而这时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。当C相通电时，另两相相不通电时，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て。
3.PLC对步进电机的控制
1）控制原则：步进电机所能达到的不失步的最高频率就是“启动频率”；与此类推，当控制系统发出停止信号步进电机能停到预定位置的最高步进频率称为“停止频率”。同时电机各个参数的设定还要考虑到电机负载的转动惯量，只有电机的参数与负载得的转动惯量相适应才能对电机进行有效准确的控制。选用PLC控制步进电机时，应事先对系统的脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量有一定的了解，这样才能选择性价比高的PLC及其相应的功能模块。PLC高速脉冲输出时需要的频率的确定是通过系统的脉冲频率决定的，而PLC的位宽是通过系统脉冲的数量来选择的。
2）转速控制：电机的转速是由驱动器的脉冲频率决定的。
当相邻脉冲的间隔发生变化时，控制ABCD四相绕组的控制时序也将相应的发生改变，这就是通入电机绕组的速率发生改变进而使电
机转动的速度发生改变，所以调节输人脉冲的速率是控制步进电机速度的一种有效的方法。
3）步进电机转动方向的控制：步进电机方向的改变是通过调节
步进电机各绕组的通电顺序来改变的，例如以三相单三拍步进
电机为例，当其线圈的通电时序为A-B-C时电机正转；当绕组的通电顺序为A-C-B顺序时电机反转。
4）步数控制：步进电机的角位移与输给驱动器的脉冲的数量成正比，脉冲越多则电机位移越大。因此可以根据步进
电机的输出位移量确定PLC输出的脉冲个数，即可实现对步进
电机的步数控制。
n =△L/δ
式中△L为步进电机的输出位移量（mm），δ为机构的脉冲当量（mm/脉冲）。
4.PLC控制系统
1.）驱动电路
通过对步进电机工作原理及工作方式的研究可知，准确控制输给步进电机脉冲的数量与频率是PLC控制步进电机的关键。而PLC发产生的
脉冲信号是弱电，其提供的信号不能直接驱动步进电动机，因此在设计PLC控制步进电机的电路时还得设计配套使用的驱动器用来实现步进电机的控制。
2.）步进电机的PLC控制方法。
转速控制：由脉冲发生器产生不同周期T的控制脉冲，通过脉冲控制器的选择，再通过环形分配器使三个输出继电器YO，Y1，Y2按照单拍的通电方式接通。（2）正、反转控制：通过正、反转驱动环节（调换相序），改变YO，Y1，Y2接通的顺序，以实现步进电机的正、反转控制。（3）步数控制：通过脉冲计数器，控制单拍时序脉冲数，以实现对步进电机步数的控制。
4.PLC控制步进电机所要面临的问题
这些问题常常使步进电机比其它电机拓扑更难对付。多数步进电机采用双凸极设计，转子和定子结构上均有齿。如同 BLDC 或 PMSM
电机，永久磁性位于转子上，电磁包含在定子中。多数设计包含 2 个定子相位，由正交相位信号独立驱动。驱动这些相位有许多方法，包括全步进、半步进或微步进，取决于使用的控制技术。每种情况下都会确定子磁通矢量，转子上的磁性将尝试与该矢量保持一致。由于转子和定子的齿数不同，产生的移动或步进可能极小。对齐之后，定子电流立即按这种方式发生变化，以增加定子磁通矢量角度，从而使电机移动到下一个步进。由于多数应用中没有位置反馈，转子磁通可以与定子磁通保持一致，这会产生无助于电机运行的定子电流。因此，步进电机没有其它常用電机那样有效。由于多数步进电机的步进角相对较小，因此不是高速应用的最佳选择。某些应用需要定子电流来完全更改每个步进的极性。与定子线圈关联的电感通常会阻止这
种变化，电流达到新水平需要一段时间。步频较高时，电流再次变化之前可能无法完全达到稳定状态值。因此，驱动相位的电压必须以更快的速度增加，以使电流变化更快。但最终会达到增益递减点，此时就无法再进行高速运行。如前所述，步进设计因其固有的低阻尼因数，常常受到共振问题的困扰。这会增加可闻噪声，严重情况下还会导致错误步进。为了消除这些问题（并增加步进分辨率），步进绕线通常使用正弦波形驱动，而非方波。这时，电机称为微步进。在微步进应用中驱动步进的一种常用方法是，将每个线圈置于单独的 H 桥电路
中，然后利用处理器中的 PWM 调节正弦波形。但设计者必须记住，增加步进分辨率不一定会增加步进精度，尤其是在开环应用中。
正是步进电机本身的不足，给PLC控制电机系统的设计带来很多的难题，需要以后逐步的克服。
小结
本文通过对步进电机工作原理及PLC对其控制方法的研究，总结了PLC控制步进电机的一些方法和指导原则，这将对步进电机的高效利用起到促进的作用！
参考文献
[ 1] 张万忠. 可编程控制器应用技术[M] . 北京： 化学工业出版社，2001.
[ 2 ] 郑瑜平. 可编程控制器[M] . 北京： 北京航空航天大学出版社，1997.
[ 3] 上海乐兹科技发展有限公司. 三菱微型可编程控制FX2N 编程手册[ Z] . 上海： 上海乐兹科技发展有限公司， 2005.
[ 4] 北京艾博瑞林电子公司.步进电机驱动使用说明书[ Z] . 北京： 北京艾博瑞林电子公司， 2005.
[ 5] 季汉棋. 用PLC 控制数字变频器改变异步电动机转速的实现[ J] .轻工机械， 2006， 24（ 1）： 104- 106