基于PLC的步进电动机单双轴运动控制的实现
张李军
摘 要：步进电机时常用的开环控制电器，控制精度较高，但实际使用中容易出现过冲或者失步现象，所以需做好升速和降速处理，本文主要阐述基于PLC实现步进电机S型曲线加速的方法。
关键词：步进电机；S型曲线加速；PLC；可编程序控制器
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.131
1 系统简介
在当前数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的开环电机。在正常工作状态下，电机的转速和转动角度（或圈数）只由控制脉冲信号的频率和脉冲数决定。
步进电机和交流伺服电机同为常用驱动电器，但在对定位精度要求不是非常高的场合，使用步进电机比伺服具有明显优势：①步进电机对脉冲信号的跟随性优于伺服电机；②步进电机和步进电机驱动价格低于伺服电机。
由于步进电机为开环控制电器，当旋转角度发生错误时无法自动修正。当步进电机在启动时脉冲频率过高或负载过大，在惯性作用下容易出现失步或堵转的现象。若启动时启动扭力过大，会出现堵转现象，使实际旋转角度小于脉冲控制角度。若停止时转速过高容易出现电机过冲现象，使实际旋转角度大于脉冲控制角度。为了保证步进电机的控制精度，必须在控制脉冲上做好升速和降速过程的处理。
步进电机常用加速方式由直线型加速和曲线型加速。直线型加速由线性加速、梯形加速等；曲线型加速由指数型加速和S型加速等。直线型加速控制简单容易实现，但加速过程不够平滑，实际加速效果不如曲线型加速。曲线型加速过程平滑，但不容易实现。
本文主要论述基于PLC（可编程控制器）的S型曲线加速应用和实现方法。PLC是当前主流的工业自动化控制器之一，也小批量生产的设备控制中应用最多的控制器，PLC编程灵活，方便拓展，成本低，选用具有高速脉冲的PLC型号可直接输出控制脉冲和方向脉冲来对步进电机进行控制。
PLC选用台达DVP-EH3系列，它是台达DVP-E系列的最高级主机，具备优异的运动控制功能，可实现直线插补，圆弧插补功能，性能质量稳定，性价比高。DVP-EH3系列本身带有高速脉冲发生器，可发出最大100KHZ脉冲，满足对步进电机的控制要求，并可通过程序进行函数计算，通过函数计算结果实时改变脉冲频率，达到变速或变加速控制。
2 波形曲线
S型加速曲线选用余弦函数π-2π段波形，图1所示即为实际速度曲线，其中V0为目标速度（频率），T为加速时间，曲线波峰为，波谷为0，周期为2T。0-T段波形为余弦函数左移半个周期（即T）上移一个波峰（即V0），角频率 ，故加速段的函数为：
由于PLC内三角函数是以角度单位进行计算，且计算范围为，故在PLC中进行运算时应将弧度换算为角度，PLC内计算函数为：
3 S型加速曲线在PLC中的实现
台达DVP-EH3系列PLC的Y0为脉冲输出，Y1为方向脉冲输出，可直接接入步进电机驱动器的控制脉冲输入接口，PLC输出电压为24VDC，24VDC电压在大多数步进电机驱动器的控制脉冲输入接口上可以通用，若步进电机驱动器的控制脉冲输入接口为5VDC或12VDC输入电压，可外接独立电源，防止电压过高。根据实际需要设置步进电机的细分，则当PLC程序控制Y0、Y1输出脉冲时，输出脉冲通过细分驱动器控制步进电机旋转一个角度，旋转速度为PLC的脉冲输出频率。
子程序P001为函数式计算程序，根据控制需求选用0.01s计时，台达DVP-EH3系列PLC的T200定时器计时单位为10ms（即0.01s），将T200计时结果存入寄存器D90，D90即为t（当前时间）。T（加速时间）为设定值，可根据需求设置1-30000（单位为10ms）任意整数值，设定值存于寄存器D200，D200寄存器有断电保持功能，当设备断电后可自动保存，无需重新设置。因当前加速时间小于所设定的加速时间，所以 的结果为小数，在对寄存器D90和D200 进行除法运算时需用浮点数运算，程序“DEDIV D90 D200 D102”中寄存器D102即為浮点数除法运算的结果，即 的值。寄存器D108为运算后的结果，结果为浮点数。将D108进行DCOS运算后所得结果即为。寄存器D124的值为函数式中v的当前值，脉冲频率必须为整数型，所以需通过程序“DINT D124 D126”将D124转为整数型，D126即为所需要的当前频率，即运行速度。
通过DDRVI指令将所需要的控制脉冲由Y0和Y1端口输出，其中D204为脉冲数。如果需要进行减速，则需要提取当前已发脉冲数再进行计算，DVP-EH3中已发脉冲数目寄存器为D1030（Y0 脉冲输出个数Low word）、D1031（Y0 脉冲输出个数High word）、D1032（Y1 脉冲输出个数Low word）和D1033（Y1 脉冲输出个数High word），具体计算方法本文不做阐述。
参考文献：
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[2]黄兆斌，黄云龙，余世明.几种步进电机加减速方法的对比研究及其应用[J].机电工程，2011（08）.endprint
