基于PLC的步进电机运动控制工作原理

一、 步进电机工作原理

1. 步进电机简介

      步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
 
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单

2. 步进电机的运转原理及结构

      电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A‘与齿5相对齐，（A‘就是A，齿5就是齿1）

3. 旋转

      如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力，以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て
     
这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。
 
步进电机的静态指标术语

      拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

4. 步进电动机的特征
 
      1) 运转需要的三要素：控制器、驱动器、步进电动机
 
      以上三部分是步进电机运转必不可少的三部分。控制器又叫脉冲产生器，目前主要有PLC、单片机、运动板卡等等。

      2) 运转量与脉冲数的比例关系
 
数控机床的主运动主要完成切削任务，其动力约占整台机床的70%-80%。基本是步进电动机和伺服电机对主轴的正、反转和停止控制拖动，可自动换挡及无级调速。通过对步进电机的调速和正反转PLC控制的研究，进一步提高机械生产制造的自动化。

步进电机伺服系统是典型的开环伺服系统。在这种私服系统中，执行元件是步进电动机。步进电动机把进给脉冲转换为机械角位移，并由传动丝杠带动工作台移动。由于该系统中无位置和速度检测环节，因此它的精度主要由步进电动机的步距角和与之相联系的丝杠等传动机构所决定。

步进电机的驱动电路是靠时钟脉冲控制的，每个脉冲动一步，可以使用按钮产生这个脉冲，也可以使用脉冲发生器，如果要让它刚好转一圈，可以用带计数的脉冲发生器，比如一圈需要180个脉冲，可以让它发180个脉冲后停下来，这样就刚好转了一圈，前提是步进电机没有发生失步的问题。一般如果负载没有超过电机的扭矩是不会失步的。

步进电动机的最高极限转速通常要比伺服电动机低，并且在低速时容易产生振动，影响加工精度。但步进电动机开环伺服系统的控制和结构简单，调整容易，在速度和精度要求不高的场合具有一定的使用价值。
相数：电动机定子上有磁极，磁极对数称为相数。
拍数：电动机定子绕组每改变一次通电方式称为一拍。
步距角：转子经过一拍转过的空间角度用符号α表示。
齿距角：转子上齿距在空间的角度。如转子上有N个齿，齿距角Θ=360/N.

步进电机的转矩与功率的换算公式：
     步进电机一般在较大范围内调速使用时，其功率是变化的，一般只用转矩来衡量，转矩与功率的换算公式如下：
                  p= ω•m
                    ω=2π•n/60
                     p=2πnm/60
     其p为功率单位为瓦，ω为每秒角速度，单位为弧度；n为转速，单位为每分钟转数；m为转矩，单位为牛顿•米。

p=2πfm/200x细分倍数，其中f为每秒脉冲数（简称pps)
举例（57byg250步进电机）：
f为16000pps（16k）、驱动器细分数为8（此时电机转速为每秒10转）、步进电机转矩为1nm时：
p=2πx16000x1/200x8（8细分工作）=62.8（瓦)

步进电机的转速可以用脉冲频率来控制，步进电机的脉冲运行频率跟转速成正比，可以通过计算公式计算出步进电机的转速。

   步进电机转速 = 频率 x 60 /200 x 细分数
   其中：步进电机转速的单位是：分/转；  脉冲频率的单位是：赫兹  
 
  举例说明：

 步进电机采用整步，即1细分时，脉冲频率1k（1000赫兹），转速=1000 x 60/200 =300转/分
  注意事项：此公式适应于两相步进电机，如果三相混合式步进电机，可能因为驱动器内部算法不一致，结果跟实际转速不一致