采用PLC控制步进电机实现点位控制

0 前言

　　在机械加工时，数控系统的点位控制一般用在孑LJJD工机床(例如钻孔、铰孔、镗孑L的数控机床)上，其特点是：机床移动部件能实现由一个位置到另一个位置的精确移动，即准确控制移动部件的终点位置，但并不考虑其运动轨迹，在移动过程中刀具不切削工件。

　　实现数控系统点位控制的方法可以有两种：一是采用全功能的数控装置，这种装置功能十分完善，但其价格却很昂贵，而且许多功能对点位控制来说是多余的；二是采用单板机或单片机控制，这种方法除了要进行软件开发外，还要设计硬件电路、接口电路、驱动电路，特别是要考虑工业现场中的抗干扰问题。

　　PLC是一种数字运算操作的控制装置，专为工业环境设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小、采用面向用户的指令、编程方便、是实现机电一体化的理想控制装置。因此，用PLC来控制步进电机在实际的控制系统中应用非常广泛。PLC驱动步进电机实现点位控制，硬件电路设计简单、方便、快捷，编程时只要熟悉PLC的指令即可。

1 步进电机控制原理

　　步进电机是一种将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的常用电气执行元件，具有步进数可控、运行平稳、价格便宜等优点。步进电机转子的位移与脉冲数成正比，因而其转速与脉冲频率成正比，而不受电源电压、负载大小及环境条件等影响。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度前进一步，这个角度即为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了旋转的速度，方向信号决定了旋转的方向。

　　步进电机的工作方式与电动机的结构和种类密切相关，从结构上看，步进电机分为三相、四相、五相等类型，常用的是三相步进电机。三相步进电机的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种。系统采用三相六拍工作方式，在=三相六拍工作方式中，控制电流切换6次，磁场旋转1周，转子移动1个齿距，各相的通电顺序为：A—AB．B-BC．C．CA—A。六拍工作方式时的电压及电流波形如图1所示。其中细线表示磁极绕组中的电流波形，可见磁极的驱动电压是方波，而电流不是方波，这主要是由于步进电机的每相绕组存在一定的充电和放电时间。

图1 三相感应式步进电机六拍工作方式时的电压及电流波形

　　常用的步进电机分为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等类型，不同的步进电机在控制方式上基本一样。在实际应用中，反应式步进电机较常用。步进电机直接由数字信号控制，其基本控制包括转向控制和速度控制。步进电机换向。一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内时，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1个脉冲前发出。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速一换向一加速3个过程。

　　调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。用PLC实现步进电机的加减速控制，实际上就是控制发送脉冲的频率。加速时，使脉冲频率增高。减速时降低。

　　理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电机整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。若选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律，则能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。

2 点位控制原理

　　通常一个定位命令要求主轴与零件移动到另一位置时，模块先计算一个理论的时间速度图。然后以这个时间速度图控制轴，使之最后达到规定的位置。典型的时间速度图(如图2所示)是一个梯形，也就是说，轴先以用户设定的加速度匀加速度运动，直至达到用户设定速度y，然后匀速运动一定的时间，再以用户设定的加速度做匀减速运动，直到速度变为0。速度达到0时，轴移动的距离正好是命令规定的值P。

图2时间速度图 

　　根据这个时间速度图，可以计算出相应的时间位置图。对于不带旋转编码器的开环步进控制模块，速度命令脉冲就以时间速度图的值输出，当P个脉冲全部输出以后停止输出。