1 引言

　　步進電機是一種將電脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機電執(zhí)行元件，每當對其施加一個電脈沖時，其輸出軸便轉(zhuǎn)過一個固定的角度，稱為一步，當供給連續(xù)脈沖時，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動。步進電機分為反應(yīng)式、永磁式和混合式等。步進電機的位移量與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率和步進角有關(guān)。

　　步進電機必須使用專用的步進電機驅(qū)動設(shè)備才能夠正常工作，步進電機系統(tǒng)的運行性能，除與電機自身的性能有關(guān)外，在很大程度上還取決于驅(qū)動器性能的優(yōu)劣。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，可以實現(xiàn)細分驅(qū)動，即將一個步距角細分成若干小步來驅(qū)動。

2  一般步進電機的驅(qū)動器的控制方式

　　某公司W(wǎng)D2-007型步進電機驅(qū)動器的控制面板，該驅(qū)動器主要驅(qū)動)2Nm~12Nm的三相混合式步進電機。一般步進電機驅(qū)動器都是這樣的控制方式。

　　控制信號的意義如下：

　　PULSE：脈沖信號，每一個脈沖的上升沿使電機轉(zhuǎn)動一步。

　　DIR：方向信號，與!9"OS 信號配合使用，低電平電機順時針旋轉(zhuǎn)，高電平，電機逆時針旋轉(zhuǎn)。

　　CW:正轉(zhuǎn)信號，每個脈沖使電機正向轉(zhuǎn)動一步(與CCW信號配合)。L:反轉(zhuǎn)信號，每個脈沖使電機反向轉(zhuǎn)動一步(與CW信號配合)。PULSE+與CW + ，PULSE-與CW-，DIR +與CCW + ，DIR -與CCW一對應(yīng)同一個接口，按控制方式不同給出兩種定義名稱;STEPI.STEP2用于設(shè)置電機每轉(zhuǎn)步數(shù)，可以設(shè)為500,1000,5000和100000 PULSE"SYS撥碼開關(guān)用于設(shè)置控制方式，OFF時為“脈沖和方向”控制方式，ON時為“正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)”控制方式。

　　控制信號要求7mA≦高電流≦25xnA，-25mA≦低電流≦0.2mA，由于PLC的控制電源多配置24V開關(guān)電源，此時可以串接1.8K的限流電阻。

　　步進電機及其驅(qū)動系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)配套時，體現(xiàn)出更大的優(yōu)越性。

　　PLC是廣泛應(yīng)用于上業(yè)自動化領(lǐng)域的控制器，它的功能越來越強，性能越來越先進。為了配合步進電機的控制，許多PLC都內(nèi)置了脈沖輸出功能，并設(shè)置了相應(yīng)的控制指令，可以很好地對步進電機進行控制，下而是OMRON公司CPM2A品體管輸出型PLC的輸出電路結(jié)構(gòu)。

　　CPM2A型PLC有兩個脈沖輸出端01000和01001端子，隨著控制方式的不同，有三種脈沖輸出形式。

　　1)這兩個脈沖輸出端可以用來作為兩個不帶加減速的單相脈沖輸出端，卞要使用PULS和SPED指令進行控制，頻率范圍為10Hz~10KHz(變化單位10Hz)，可以連續(xù)輸出，也可以脈沖串形式輸出，可以同時單獨輸出。01000端子對應(yīng)脈沖輸出端口0 01001端子對應(yīng)脈沖輸出端口1。

　　2)可以作為兩相可變占空比的連續(xù)脈沖輸出端，卞要使用PWM指令控制，占空比設(shè)置范圍為0%~100 %(設(shè)置單位1%)，頻率設(shè)置范圍0.1 Hz~999. 9Hz(設(shè)置單位0.1 Hz)。

　　3)可以作為帶梯形加減速的兩相脈沖輸出，卞要使用PULS和ACC指令控制，頻率變化范圍10Hz~10KHz(設(shè)置單位lOHz)加減速率10Hz/10m、-10KHz/10ms(設(shè)置單位10Hz )，可以連續(xù)輸出，也可以脈沖串形式輸出，這里又分為兩種控制方式，一種是脈沖+方向控制(01000輸出脈沖，01001輸出方向)，一種是正反向脈沖輸出(01000輸出CW脈沖，01001輸出CCW脈沖)。

　　以脈沖串形式輸出時，可設(shè)置的脈沖數(shù)為±1~±167772150

　　PLC的這種脈沖輸出不受掃描周期的影響。其它公司如SIEMENS，松下的PLC也具有類似的功能。

3 控制坐標系的建立

　　PLC對步進電機的控制首先要確立坐標系，可以設(shè)為相對坐標系，也可以設(shè)為絕對坐標系。坐標系的設(shè)置在DM6629字中，00~03位對應(yīng)脈沖輸出。0.04~07位對應(yīng)脈沖輸出1，設(shè)置為0時，為相對坐標系，設(shè)置為1時為絕對坐標系，坐標系一經(jīng)設(shè)定，在系統(tǒng)運行時，狀態(tài)就不能再改變。

　　(1)對于不帶加減速的單相脈沖輸出

　　當設(shè)為相對坐標系時，可以從端口0和端口1增量輸出脈沖，輸出脈沖的計數(shù)值記錄在SR229, SR228通適(端口0)和SR231, SR230通適中(端口1)。如設(shè)輸出脈沖數(shù)為0000 0100時從端口輸出100個脈沖，脈沖計數(shù)值從0計到100，之后還可以繼續(xù)從該端口輸出脈沖，即可以增量輸出脈沖。每次輸出脈沖時，脈沖計數(shù)值從0開始重新計數(shù)，計滿設(shè)定值為止。

　　當設(shè)為絕對坐標系時，輸出脈沖數(shù)可以設(shè)置為正數(shù)如00000100(相當于電機正向轉(zhuǎn)動100步)，也可以設(shè)置為負數(shù)如80000100(最高位為“1”表示負數(shù)，相當于電機反向轉(zhuǎn)動100步)，但由于是單相脈沖輸出，須另外加方向控制信號，可以用01002等輸出端做方向信號輸出。在絕對坐標系時，坐標值記錄在SR229, SR228通適(端口0)和SR231, SR230通適中(端口1)。每次輸出脈沖數(shù)是脈沖設(shè)置值和當前坐標值的差，如當前坐標值為0，設(shè)置輸出值為0000 0100，輸出100個脈沖(正向輸出信號有效)，再設(shè)置輸出值為0000 0100，不再輸出脈沖，再設(shè)置輸出值為8000 0100再輸出200個脈沖(反向輸出信號有效)，坐標值由0000 0100變?yōu)?000 0100

　　(2)對于帶加減速的兩相脈沖輸出

　　當設(shè)置為相對坐標系時，也可以實現(xiàn)增量脈沖輸出。由于兩相脈沖輸出可以直接控制電機正反向，所以脈沖輸出值可以設(shè)置為正數(shù)，也可以設(shè)置為負數(shù)，輸出脈沖的計數(shù)值記錄在SR229, SR228通適(端口0)中。如設(shè)置輸出脈沖數(shù)為0000 0100電機正向運轉(zhuǎn)100步，脈沖計數(shù)值從0000 0000計到0000 0100再設(shè)置輸出脈沖數(shù)為8000 0100，電機反向運轉(zhuǎn)100步，脈沖計數(shù)值從8000 0000計到8000 O100o

　　當設(shè)置為絕對坐標系時，坐標值記錄在SR229, SR228通適(端口0)中，坐標變化情況類似于單相脈沖輸出，但正/反向脈沖輸出或脈沖+方向輸出由01000和01001兩個端口配合完成。

4 單軸運行控制

　　(1)帶加減速的單軸正反轉(zhuǎn)運行控制。

　　帶加減速單軸正反轉(zhuǎn)運控制的控制接線及時序。

　　中用兩相脈沖輸出CW/CCW方式進行控制，也可以用Pulse+ Direction方式控制。

　　(2)可變占空比的單軸運動控制

　　這種方式卞要用PWM指令來進行控制，只能以連續(xù)方式輸出脈沖，但電機的運行頻率可以控制得很精細。

5 二軸運動控制

　　(1)帶正反向的_軸運動控制

　　帶正反向_軸運動控制的接線及控制程序分別如圖6和圖7所示。

　　01002和01003為ON時電機順時針轉(zhuǎn)動，為OFF時電機逆時針轉(zhuǎn)動。如果用連續(xù)脈沖輸出也可以實現(xiàn)控制，這時須用下而所示的SPED指令或INI指令使電機停轉(zhuǎn)。

　　(2)不帶正反向的一軸運動控制

　　當有脈沖輸出時，電機逆時針轉(zhuǎn)動。這種方式和方式1的差別就是不用01002和01003作方向控制。

　　在方式1和方式2中，對兩臺電機的控制是獨立的，如果加上適當?shù)目刂扑惴ň涂梢詫崿F(xiàn)_軸聯(lián)動。

　　一臺CMP2A就可以同時控制兩臺步進電機，這在簡易數(shù)控系統(tǒng)中非常有現(xiàn)實意義。

6 控制參數(shù)的計算

　　在一個實際的控制系統(tǒng)中，要根據(jù)負載的情況來選擇步進電機。步進電機能響應(yīng)而不失步的最高步進頻率稱為“啟動頻率”，與此類似，“停比頻率”是指系統(tǒng)控制信號突然關(guān)斷，步進電機不沖過日標位置的最高步進頻率。電機的啟動頻率、停比頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負載的轉(zhuǎn)動慣量相適應(yīng)，有了這些數(shù)據(jù)，才能有效地對電機進行加減速控制。

　　在PLC對步進電機的控制中，必須計算出如下三個參數(shù):

　　脈沖當量=步進電機步距角x螺距/360 x傳動速比

　　脈沖頻率上限=移動速度x步進電機細分數(shù)/脈沖當量

　　最大脈沖數(shù)量=移動距離x步進電機細分數(shù)/脈沖當量
    
　　根據(jù)這三個參數(shù)，才能計算出PULS，ACC等指令的控制數(shù)據(jù)。

7 結(jié)束語

　　步進電機的控制以開環(huán)控制居多，如果用旋轉(zhuǎn)編碼器做速度或位置反饋，結(jié)合PLC的高速脈沖計數(shù)功能就可實現(xiàn)閉環(huán)控制。

　　由于現(xiàn)今的PLC功能越來越強，指令速度越來越快，用微小型PLC就能構(gòu)成各種的步進電機控制系統(tǒng)，具有控制簡單、運行穩(wěn)定、開發(fā)周期短等優(yōu)點，是一種切實可行的步進電機控制方案。