步进电机的PLC控制系统设计

一、引言

随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有效结合，可进行模拟量控制，具有远程通信功能等。有人将其称为现代工业控制的三大支柱（即PLC，机器人，CAD/CAM）之一。目前可编程序控制器（Programmable Controller）简称PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具。

二、PLC的基本结构

PLC采用了典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM 和输入/输出接口电路等。如果把PLC看作一个系统，该系统由输入变量-PLC-输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的信号均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其它各种运算、处理后送到输出端子，它们是PLC的输出变量，由这些输出变量对外围设备进行各种控制。

三、控制方法及研究

1、FP1的特殊功能简介

(1) 脉冲输出

FP1的输出端Y7可输出脉冲，脉冲频率可通过软件编程进行调节，其输出频率范围为360Hz～5kHz。

(2) 高速计数器（HSC）

FP1内部有高速计数器，可同时输入两路脉冲，最高计数频率为10kHz，计数范围-8388608～+8388607。

(3) 输入延时滤波

FP1的输入端采用输入延时滤波，可防止因开关机械抖动带来的不可靠性，其延时时间可根据需要进行调节，调节范围为

1ms～128ms。

(4) 中断功能

FP1的中断有两种类型，一种是外部硬中断，一种是内部定时中断。

2、步进电机的速度控制

FP1有一条SPD0指令，该指令配合HSC和Y7的脉冲输出功能可实现速度及位置控制。速度控制梯形图见图1，控制方式参数见图2，脉冲输出频率设定曲线见图3。

图1 速度控制梯形图

图2 控制方式参数

图3 脉冲输出频率设定曲线3、控制系统的程序运行

图4 控制系统原理图

图4是控制系统的原理接线图，图4中Y7输出的脉冲作为步进电机的时钟脉冲，经驱动器产生节拍脉冲，控制步进电机运转。同时Y7接至PLC的输入接点X0，并经X0送至PLC内部的HSC。HSC计数Y7的脉冲数，当达到预定值时发生中断，使Y7的脉冲频率切换至下一参数，从而实现较准确的位置控制。实现这一控制的梯形图见图5。

图5 控制梯形图

控制系统的运行程序：第一句是将DT9044和DT9045清零，即为HSC进行计数做准备;第二句～第五句是建立参数表，参数存放在以DT20为首地址的数据寄存器区;最后一句是启动SPD0指令，执行到这句则从DT20开始取出设定的参数并完成相应的控制要求。

由第一句可知第一个参数是K0，是PULSE方式的特征值，由此规定了输出方式。第二个参数是K70，对应脉冲频率为

500Hz，于是Y7发出频率为500Hz的脉冲。第三个参数是K1000，即按此频率发1000个脉冲后则切换到下一个频率。而下一个频率即最后一个参数是K0，所以当执行到这一步时脉冲停止，于是电机停转。故当运行此程序时即可使步进电机按照规定的速度、预定的转数驱动控制对象，使之达到预定位置后自动停止。

三、结束语

利用可编程序控制器可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便可靠地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作。它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实

摘要：在PLC步进电机控制系统中，输入到其线圈绕组中的脉冲数或脉冲频率可控制步进电动机的角位移

和转速，在给步进电机的各线圈绕组输入脉冲时需要

进行脉冲分配器分配脉冲，脉冲分配可以由软件进行

设计，也可以由硬件组成。以OMRON的C系列P

型机为例，讨论步进电机的PLC控制系统的软件设

计方法。

关键词：可编程控制器（PLC）；步进电动机；接线图；

梯形图在对传统机床的数控化改造中，用可编程控制

器

PLC作为控制器对机床电气控制系统的改造越来越突出。其主要部分是对数控机床的典型执行元件步进电机的控制。我们知道步进电机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转换成相应角位移的电机，步进电机每输入一个电脉冲就前进一步，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比，因此只要控制输入到其线圈绕组中的脉冲数或者脉冲频率即可控制步进电动机的角位移和转速，但给步进电动机的各线圈绕组输入的脉冲还需要进行脉冲分配器的分配。利用PLC控制步进电动机，其脉冲分配可以由软件进行设计，还可以由硬件来组成。本文作者以OMRON的C 系列P型机为例，讨论步进电动机用软件分配脉冲的设计方法。

一、步进电动机PLC控制系统I/O接线图设计

步进电动机以最常用的三相六拍通电方式工作，并要求步进电动机设有快速、慢速控制、正反转及单步控制4种控制方式。根据要求，可选用C28P—CDT—D的PLC进行控制并设计出步进电动机的PLC控制系统I/O接线图（图1）。

图1 步进电动机的PLC控制系统I/O接线图

二、步进电动机PLC控制系统梯形图设计

据控制要求设计了PLC控制系统梯形图见图2。

图2 步进电动机的PLC控制系统梯形图

（1）用移位寄存器SFT10→10的1000～1005产生六拍的时序脉冲，在CP端的移位脉冲信号1106的作用下，将IN端的信号依次移入1000～1005，每移1位为1拍，6拍为1循环，移位时所产生的时钟脉冲

频率由移位脉冲信号频率决定。

（2）辅助继电器1200、1201、1202组成三相六拍环形分配器。在1000～1005产生的六拍时序脉冲作

用下，1200、1201、1202的通电顺序见图3。

图3通电顺序

（3）由0500、0501、0502实现步进电动机的正反转驱动控制。

①当正反转按钮SB5常开时，输入点0005断开，步进电动机的通电顺序为：0500（A相）→0500、0501（A、B相）→0501（B相）→0501、0502（B、C相）→0502（C相）→0502、0500（C、A相）→0500（A）......，此

时步进电动机正转;

②按SB5时，输入点0005接通，则通电次序是B→B、

A→A→A、C→C→C、B→B......，此时电机反转。按SB1起动铵钮时，输入点0001接通，步进电动机可以实现三相六拍通电。

（4）脉冲控制器由1105、1106、1107组成。步进电动机的脉冲频率控制按4种控制方式的要求可分为：

①快速方式由辅助继电器1105的常闭接点和其线圈构成的振荡器，该振荡器产生的快速振荡脉冲，其周期为程序的1个扫描周期;

②慢速方式由特殊继电器1900产生011s的时钟脉冲;

③单步方式利用前沿微分指令（DIFU），由辅助继电器产生单步脉冲，其脉冲频率由SB6控制;脉冲控制器1107产生不同频率的脉冲，作为移位寄存器的移位信号。

PLC控制步进电机的实例(图与程序

点停止，接线图与动作位置示例如左图(距离用脉冲数表示)。·程序如下图：(此程序只为说明用，实用需改善。)

·说明：

·在原点时将D8140的值清零(本程序中没有做此功能)

·32位寄存器D8140是存放Y0的输出脉冲数，正转时增加，反转时减少。当正转动作到A点时，D8140的值是3000。此时闭合X1，机械反转动作到B点，也就是-3000的位置。D8 140的值就是-3000。

·当机械从A点向B点动作过程中，X1断开(如在C点断开)则D8140的值就是200，此时再闭合X0，机械正转动作到A 点停止。

·当机械停在A点时，再闭合X0，因为机械已经在距离原点3 000的位置上，故而机械没有动作！

·把程序中的绝对位置指令(DRVA)换成相对位置指令(DRV I)：

·当机械在B点时(假设此时D8140的值是-3000)闭合X0，则机械正转3000个脉冲停止，也就是停在了原点。D8140的值为0

·当机械在B点时(假设此时D8140的值是-3000)闭合X1，

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步进电机开环伺服机构应用

1 概述

在组合机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台（1）液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工工序中；（2）机械滑台，用于切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中；（3）数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。可编程控制器（简称PLC）以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛

应用于工业自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及CNC机床的S、T、M功能控制更显示出其卓越的性能。PLC控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数

控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低70~90%，甚至只占用自动线控制单元PLC的3~5个I/O 接口及<1KB的内存。特别是大型自动线中可以使控制系统的成本显著下降。

2 PLC控制的数控滑台结构

一般组合机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺

服机构。采用PLC控制的数控滑台由可编程控制器、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成，伺服传动机构中的齿轮Z1、Z2应该采取消隙措施，避免产生反向死区或使加工精度下降；而丝杠传动副则应该根据该单元的加工精度要求，确定是否选用滚珠丝杠副。采用滚珠丝杠副，具有传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优点，但成本较高且不能自锁。

3 数控滑台的PLC控制方法

数控滑台的控制因素主要有三个：

3.1 行程控制

一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器（行程开关/死挡铁）来实现；而数控滑台的行程则采用数字控制来实现。由数控滑台的结构可知，滑台的行程正比于步进电机

的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。由步进电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数；因此可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数：

n= DL/d （1）

式中DL——伺服机构的位移量（mm）

d ——伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）

3.2 进给速度控制

伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率;因此可以根据该工序要求的进给速度,确定其PLC输出的脉冲频率:

f=Vf/60d (Hz) (2)

式中Vf——伺服机构的进给速度(mm/min)

3.3 进给方向控制

进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向;如三相步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A…时步进电机正转;当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A…顺序通电时步进电机反转。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。

4 PLC的软件控制逻辑

由滑台的PLC控制方法可知，应使步进电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。因此在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器；对于频率较低的控制脉冲，可以利用PLC中的定时器构成，如图2所示。脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器C10。当脉冲数达到设定值时，计数器C10动作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转，伺服执行机构定位。当伺服执行机构的位移速度要求较高时，可以用PLC中的高速脉冲发生器。不同的PLC 其高速脉冲的频率可达4000~6000Hz。对于自动线上的一般伺服机构，其速度可以得到充分满足。

5 伺服控制、驱动及接口

5.1 步进电机控制系统的组成

步进电机的控制系统由可编程控制器、环行脉冲分配器和步进电机功率驱动器组成，控制系统中PLC用来产生控制脉冲；通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量；同时通过编程控制脉冲频率——既伺服机构的进给速度；环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环行分配器，也可以采用如图1所示的硬件环行分配器。采用软环占用的PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数M>4时，对于大型生产线应该予以充分考虑。采用硬件环行

分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC的I/O 口点数，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动器将PLC输出的控制脉冲放大到几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力。一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几~几十伏特、几十~几百毫安。但对于功率步进电机则要求几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。

5.2 可编程控制器的接口

如伺服机构采用硬件环行分配器，则占用PLC的I/O口点数少于5点，一般仅为3点。其中I口占用一点，作为启动控制信号；O口占用2点，一点作为PLC的脉冲输出接口，接至伺服系统硬环的时钟脉冲输入端，另一点作为步进电机转向控制信号，接至硬环的相序分配控制端，如图3所示；伺服系统采用软件环行分配器时，

6 应用实例与结论

将PLC控制的开环伺服机构用于某大型生产线的数控滑台，每个滑台仅占用4个I/O接口，节省了CNC控制系统，其脉冲当量为0.01~0.05mm,进给速度为Vf=3~15m/min,完全满足工艺要求和加工精度要求