基于PLC控制的步进电动机运行参数选择

韩 红



基于PLC控制的步进电动机运行参数选择

韩 红

(渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛 125005)

采用PLC实现步进电动机的控制，通过现场调试确定几大关键运行参数：细分数、动态电流、经过计算而确定的最佳启动频率、优化后的指数曲线等。为步进电动机研究提供了一定的理论基础，具有推广价值。

步进电动机 最佳启动频率 细分 PLC

0 引言

步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件，其输入的一个电脉冲即是一步，同时转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及电动机转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，因此通过控制脉冲频率就可以控制步进电动机的转速，控制通电脉冲的顺序可以控制电机的转动方向。由于步进电动机没有位置误差，系统结构简单，使用灵活方便、故障率低，所以被广泛应用到各种机电产品中。目前步进电动机的控制系统主要有单片机、PLC、DSP等，本文主要是针对PLC控制步进电动机系统的现场关键参数设定过程进行详细研究及阐述，具有一定推广价值。

1 步进电动机驱动器细分及电流参数确定

步进电动机的结构决定了步距角的大小，若想要有更小的步距角，可以将一步一个脉冲细分成多步完成。在每次脉冲切换时不将绕组电流全部通入或切断，只改变相应绕组额定电流的一部分，电动机就只转过步距角的一部分，细分后绕组电流由原来的矩形波变成阶梯波进入和退出[1]，如图1所示。

图1 步进电动机细分电流波形

现场通过驱动器上拨码开关的通断来确定细分数，以雷赛M415B步进驱动器为例，细分数有7种：整步，半步，4/8/16/32/64细分。细分数值越大每转发的脉冲数越多，以一个步进电动机驱动滚珠丝杠副带动工作台左右移动机构（系统结构如图2所示）为例，电动机转速（），其中为脉冲频率，取10000 Hz，θ为电动机固有步距角取1.8°，为细分数取16分。代入后，电动机转速=3.125PLC发出脉冲数为69000个，16细分后电动机每转发出3200个脉冲，丝杠导程为4 mm，那么工作台移动距离为：（69000/3200）×4=86.25 mm。若换成32细分，电动机每转发出6400个脉冲，那么工作台移动距离为：（69000/6400）×4=43.125 mm。因此，在不同细分下，若保证工作台移动距离相同，就必须变化PLC所发出的脉冲数。现场调试时，细分数主要根据脉冲频率和电动机转速确定。

图2 PLC控制水平移动机构简图

步进电动机驱动器动态电流的设定一般取决于负载及加速扭矩，细分后就拟合成正弦曲线，因此有峰值电流和均值电流之分。步进电动机的额定电流是一个近似值，对于两相步进电动机，驱动器的动态输出均值电流可取额定电流的0.7倍。在保证足够速度和力矩下，电流可选的略低一些，进而延长电动机及驱动器的使用寿命。还是以上述雷赛M415B步进驱动器为例，通过实验得出7档输出电流的运行情况，见表1。

表1 不同输出电流下电动机运行情况

从上表中可看出，电动机在带动如图2中滚珠丝杠副机构时，过低的两种电流下，都出现启动异常，而过高的两种电流也出现运转异常，这四种电流都不适宜选用。此机构中步进电动机型号为雷赛42J1834-810，额定电流为1 A，那么驱动器输出均值电流适合选择：

0.7×1=0.7 A，从上表中可看出0.63 A和0.84 A均可，本着尽量选低电流延长寿命原则，可选择步进电动机驱动器峰值电流为0.63 A。

2 启动频率及加减速曲线确定

步进电动机从静止开始启动，需要克服极大的惯性矩，因此启动频率f尽量低一些。步进电动机启动那一瞬时，电脉冲信号过来，建立起磁场，定子产生磁拉力，拉动转子转动。但定子绕组中有电感，磁场有可能不能瞬时建立，当输入脉冲频率过高，而磁场还未建立时，就拉动转子转动但电脉冲信号还未过来，这就是“丢步”现象。所以启动频率不能太高。那么，最佳启动频率f如何确定？还是以图2所示机构为例，步进电动机运行频率f=10000 Hz，选择四组启动频率分别为：2000 Hz、1000 Hz、500 Hz、250 Hz建立如图3所示加减速曲线，具体参数如表2所示。

图3 四种启动频率下加减速曲线对比图

步进电动机低频启动高频运行，不能完成直接启动，一般经过启动—加速—恒速—减速—停止的加减速过程。一般的加减速曲线有：梯形曲线、指数曲线及S型曲线，快速平稳起动常用前两种，本例中用到的是第一种梯形曲线。从图3中看出（a）（b）（c）中加减速区曲线过陡，容易丢步，只有（d）中，启动频率f=250 Hz时，曲线相对合理。最佳启动频率也可以通过公式精确计算获得[3]。

其中，为具有时间的量纲，取0.002；系统总转动惯量=丝+工，丝杠转动惯量丝=1.38×10-5kgm2，工作台转动惯量工=0.032×10-5kgm2，=1.40×10-5kgm2。负载转矩T=0.005 N•m。计算后得到f=247 Hz。经过现场反复实验修调为f=250 Hz。

3 PLC控制步进电动机部分程序

图2实例中的PLC选择西门子S7-200[2]，其设有高速脉冲输出，输出频率可达100 kHz，一般有脉冲串（PTO）输出和脉宽调制（PWM）输出两种形式。PTO模式允许多个脉冲串排队输出形成流水线，流水线分为单段和多段两种。建立多段流水线包络表如表3。

表2 四种启动频率下参数表

表3中，初始周期1=1/f=1/250=4000 μs，段1周期增量Δ1=（2-1）/段1输出脉冲数=（100-4000）/1300=-3 μs，其它段以此类推。

PLC的CPU中有两个PTO/PWM发生器，一个分配给输出端Q0.0，另一个给Q0.1，可以驱动步进电动机。

根据表3包络表中数据编写PLC梯形图如图4所示。

4 结论

在现场调试PLC控制的步进驱动系统通过滚珠丝杠副带动工作台往复运动时，关键性参数的确定决定了整套系统的运行精度，本文通过对实验数据的精准分析及运用公式精密计算代替以往步进电动机参数选择的经验估算法，大大提高了步进驱动系统的工作效率及精度，不但实现了快速平稳起动，而且工作一段时间均运行良好。为此方面的研究及推广打下良好基础。

本系统中现场需确定的关键参数有：步进电动机驱动器细分数16、峰值电流为0.63 A，步进电动机最佳启动频率f=250 Hz、加减速曲线为梯形曲线。

图4 梯形图

[1] 张建民. 机电一体化系统设计[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2007: 107-110.

[2] 王芹, 滕今朝. 可编程控制器技术及应用[M]. 天津: 天津大学出版社, 2008.

[3] 徐亚茹, 陆静平. 步进电动机快速平稳起动控制算法研究[J]. 微特电机, 2014,(8): 90-92.

Selection of Operational Parameters of Stepper Motor Based on PLC

Han Hong

(Bohai Ship-building Vocational College, Huludao 125005, Liaoning, China)

PLC is used to control the stepper motor, and several key operating parameters are determined by the field test: subdivision drive, dynamic current, the best starting frequency determined by calculation, the optimized exponential curve, and so on, which provides the basis for the transportation manipulator, obtained great profits.

step-motor; the best starting frequency; subdivision drive; PLC

TM301

A

1003-4862（2016）04-0054-03

2015-12-03

韩红（1971-），女，副教授。专业方向：机电一体化技术应用。