李学
邹平滨能能源科技有限公司 山东省邹平市 256200
摘要：基于PLC控制的步进电机的设计方法简便可行、操作性强、可靠性高，控制参数改变容易，PLC的I/O接口占用较少，同时外联接口较为方便，这样就最大程度地降低了系统设计工作量，使系统开发周期变短，并且节省财力，具有较高的推广和应用价值。
关键词： PLC 编程控制器 步进电机 控制系统
第一章 PLC概述
1. PLC的功能
PLC作为工业控制的多功能控制器，不仅能满足一般工业控制需要，而且能够适应工业控制的特殊控制要求，并可实现联网和通信控制。虽然不同类型PLC的性能，价格有差异，但其主要功能是相近的。
⒈基本功能
逻辑运算功能是PLC必备的基本功能。本质上，它以计算机“位”运算位基础，按照程序的要求，通过对来自设备外围的按钮、接触器触电、行程开关等开关量信号进行逻辑运算处理，并控制外围指示灯、接触器线圈、电磁阀的通断。
在早期的PLC上，顺序控制所需要的定时、计数功能需要通过定时模块与计数模块实现，但是，他已经成为PLC的基本功能之一。此外，逻辑控制中常用的数据比较与处理、代码转换等，也是PLC常用的基本功能。
⒉特殊功能
PLC的特殊控制功能包括模/数（A/D）转换、数/模（D/A）转换、高速处理、温度控制、位置控制等。这些特殊控制功能的实现一般需要PLC的特殊功能模块完成。
A/D转换与D/A转换多用于过程控制或闭环调节系统。在PLC中，通过特殊的功能模块与功能指令，可以对过程中的温度、压力、速度、流量、电流、电压、位移等连续变化的物理量进行采样，并通过必要的运算实现闭环自动调节，必要时也可以对这些物理量进行各种形式的显示。
位置控制一般通过对PLC的特殊应用指令的写入与状态读取，对位置控制模块的位移量、速度、方向等进行控制。位置控制模块一般以位置给定的指令脉冲形式输出，指令脉冲再通过伺服驱动器或步进驱动器、驱动伺服电动机或步进电动机带动进给传动系统实现闭环位置控制
高速处理功能一般通过PLC的特殊应用指令和高速处理模块，如高速计数、快速响应模块等实现，PLC通过高速处理命令的写入与状态的读取，对高速变化的速度、流量、位置等值进行处理控制。高速计数模块可以对几十千赫甚至上百千赫的脉冲进行计数处理，保证负载信息的及时处理并驱动。快速响应模块将输入量的变化较快的反映到输出量上。总之，PLC的高速处理功能对变化快、脉冲宽度小于PLC扫描周期的输入/输出信号进行处理，避免了丢失部分关键信号，从而影响控制过程的及时性和准确性。
第二章 步进电机概述
步进电机是一种将脉冲信号转换成角位移或直线位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输人脉冲个数成正比，其速度与单位时间内输人的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到各相绕组的相序有关。因此只要控制指令脉冲的电机绕组通电的相序、频率及数量，便可控制步进电机的输出方向、速度和位移量。步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成，并且可获得较高的控制精度，因而广泛应用在数控机床、数字系统、程序控制系统及航天工业装置中。
2.1 步进电机工作原理
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的转动方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电动机的工作原理实际上是和电磁铁的作用原理一样。当A相绕组通电时，转子的齿与定子AA上的齿对齐。若A相断电，B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子BB上的齿对齐，转子沿顺时针方向转过，如果控制线路按A→B→C→A…的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进电动机的转子便不停地做顺时针转动。若将通电顺序改为A→C→B→A…，步进电动机的转子将逆时针转动，这种通电方式称为三相三拍。而通常的通电方式为三相六拍，其通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A…及A→AC→C→CB→B→BA→A…，相应地，定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过15度。
2.2反应式步进电机
反应式步进电机，是一种传统的步进电机，由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动。反应式步进电机工作原理比较简单，转子上均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。
应用领域：反应式步进电机主要应用于计算机外部设备、摄影系统、光电组合装置、
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阀门控制、银行终端、数控机床、自动绕线机、电子钟表及医疗设备等领域中。
图3-1是一台四相反应式步进电机的结构示意图。定子铁心由硅钢片叠成，定子上有8个均匀分布的磁极，每个磁极上又有若干小齿（本例为5个）。各个磁极上套有线圈，径向相对的两个磁极上的线圈是一相。转子也是由硅钢片叠成的，若干小齿（本例为50个）在圆周上均匀分布，但转子上没有绕组。根据工作要求，定子小齿的齿距必须等于转子小齿的齿距，且转子的齿数有一定限制。
定义每个小齿所占有的角度为齿距角：
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设电机为四相四拍通电方式。当A相控制绕组通电时，产生了沿A-A’极轴方向的磁通，由于磁通力图通过磁阻最小路径，使转子的作用而转动，直到转子磁轴线和定子磁极A-A’上的磁轴线对齐为止。因为转子共有50个齿极，
如果断开A相而接通B相，产生沿B-B’极轴线方向的磁通，同样在反应转矩的作用下，转子按顺时针方向转过，是转子齿轴线和定子磁极B-B’下的齿轴线对齐。这时，A-A’和C-C’极下的齿与转子齿又错开。以此类推，控制绕组按A→B→C→D→A…的顺序循环通电时，转子就按顺时针方向一步一步连续地转动起来。每换接一次绕组，转子转过1/4齿距角。
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显然，如果要使步进电机反转，只要改变通电顺序，即按A→D→C→B→A…的顺序循环通电时，则转子便按逆时针方向一步一步地转动起来，步距角同样为1/4齿
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由于在一个通电循环内控制脉冲的个数为N（拍数），而每相绕组的供电脉冲个
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可见，步进电动机在不失步、不丢步的前提下，其转速和转角与电压、负载、湿度等因素无关，因而步进电机可直接采用开环，简化控制系统。