步进电机PLC的直接控制

1、引言

步进电机是一种将脉冲信号变换成角位移的数字电磁执行装置。步进电机的角位移与输入脉冲个数成正比，其转速与脉冲频率成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。由于步进电机的转角、转速和转向均可采用数字量（脉冲）控制，故步进电机广泛应用于数字伺服领域。图1表示了步进电机的典型应用。

图1　步进电机的典型应用

图中，输入信号是由伺服系统中的传感器产生的。指令脉冲控制器决定于具体的伺服控制过程。可采用专用逻辑电路，目前多用单片微型计算机及接口电路组成。环形分配器是将输入的单一脉冲串按工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。环形脉冲分配器多采用专用集成电路如CH250等构成。由此形成的各相的微弱信号经各相的功率放大器放大，产生足够的电磁转矩使电动机旋转。图中各部分的设计、选型、连接往往要求控制系统的设计者花费大量的精力和劳动。接口信号的匹配以及元器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大。

2、一种用PLC直接控制步进电机的方法

本文提出一种用可编程序控制器（PLC）直接控制步进电机的方法，如图2所示。这条技术路线的优点是：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。作为一种工业控制计算机PLC的功能越来越强。不仅仅可用于开关逻辑控制，还可用于闭环过程控制，并可与其它计算机组成多级控制系统。有了PLC的强大功能的支持，各种不同控制系统的不同指令脉冲控制器的任务均可用PLC的不同控制程序来完成。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。应该指出的是采用继电器或可控硅做输出端口的PLC，即使软件环形脉冲分配能达到高速要求，但由于输出端口器件难以高速导通和关断直流电源，不能向步进电机各相绕组提供驱动脉冲电流，故不能用于步进电机的PLC直接控制。对于满足一、二两个要求的PLC，如美国IPM公司的IP1612DC-220可编程序控制器，可以对步进电机进行直接控制。

图2　步进电机的PLC直接控制

笔者已成功地将这种方法用于ZXJ1000-C型预应力复合制袋自动生产线的切袋误差自动补偿系统中。系统将传感器测得的袋长误差信号由PLC的输入端口送入，如图3所示。根据误差与补偿的算法，由PLC的程序自动算出步进电机应补偿的转向与转角步数，并由环形分配程序通过输出端口Y9、Y10、Y11进行环形脉冲分配，从而控制接到步进电机三相绕组的48V直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。步进电机的转动再经机械差速器叠加到主传动链中，使袋长误差得以补偿。由于步进电机是电感性负载，直流电阻很小，故接限流电阻以免脉冲电流过大损坏PLC端口，即Y9、Y10、Y11所对应的大功率晶体管。当Y9、Y10、Y11所对应的大功率晶体管按：Y9-Y9Y10-Y10-Y10Y11-Y11－Y11Y9-Y9……依次导通、断开时，步进电机正转。按：Y9-Y9Y11-Y11-Y11Y10-Y10-Y10Y9-Y9……依次导通、断开时，步进电机反转。即步进电机按三相六拍工作。每当步进电机走一步，环形脉冲分配程序的步数减一，当步数减为零时，停止环形脉冲分配，等待下一次测量误差的输入。

图3　具体应用图

3、结束语

采用PLC直接控制步进电机的误差补偿系统功能完善、灵活性大、可靠性高。该生产线已获得国家科技进步奖。特别强调的是采用PLC直接控制步进电机的方法，减少了系统设计的工作量、能大大缩短开发研制周期，在一定范围内，有较高的推广和实用价值。