一、前言

在上一篇中詳細(xì)講到了三菱PLC的上機(jī)流程，本篇進(jìn)入正題，講解如何使用三菱PLC進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的控制，主要分為步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、三菱PLC步進(jìn)電機(jī)控制基礎(chǔ)、項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)三部分。

二、步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

1. ​​基本定義​​ 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為精確角位移或線位移的開(kāi)環(huán)控制電機(jī)。每輸入一個(gè)脈沖，電機(jī)按固定步距角轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速和停止位置僅由脈沖頻率和數(shù)量決定，與負(fù)載無(wú)關(guān)。

2. ​​工作原理​​

   • ​​電磁驅(qū)動(dòng)​​：定子繞組通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸引或排斥轉(zhuǎn)子（永磁體或?qū)Т挪牧希┬�轉(zhuǎn)特定角度。例如，兩相混合式電機(jī)通過(guò)交替改變定子線圈電流方向?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)。
   • ​​微步驅(qū)動(dòng)​​：通過(guò)正弦波電流控制，將單一步距細(xì)分為更小角度（如1/32步），提升精度并減少振動(dòng)。
   • 就目前的使用場(chǎng)景來(lái)看我們?cè)谝话愎こ讨惺褂玫亩际俏⒉津?qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，至于電磁驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)用在比較大型的場(chǎng)景例如磁懸浮。

3. 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)原理

步進(jìn)電機(jī)的控制精度依賴于繞組電流的​​相位與幅值精確調(diào)制​​。盡管微步驅(qū)動(dòng)（Microstepping）理論上需要​​兩相正弦波電流的矢量合成​​，但主流控制器（如PLC、MCU、FPGA）的通用I/O端口僅支持​​PWM方波信號(hào)輸出​​（固定占空比或頻率可調(diào)）。因此，需通過(guò)​​步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器​​實(shí)現(xiàn)以下關(guān)鍵信號(hào)轉(zhuǎn)換與增強(qiáng)功能：

1. ​​方波-正弦波調(diào)制技術(shù)​​
   驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置細(xì)分控制模塊，將PLC輸出的方波脈沖序列轉(zhuǎn)化為​​正弦/余弦相位差電流​​。例如，16細(xì)分模式下，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)查表法生成兩相階梯狀正弦波電流，實(shí)現(xiàn)步距角從1.8°降至0.1125°的平滑運(yùn)動(dòng)。

2. ​​電流矢量合成與功率放大​​
   驅(qū)動(dòng)器采用​​H橋電路​​對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，并通過(guò)​​電流閉環(huán)反饋​​（如斬波限流技術(shù)）確保繞組電流與目標(biāo)波形一致。此過(guò)程可抑制因電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)引起的力矩波動(dòng)。

3. ​​脈沖-相位同步機(jī)制​​
   PLC輸出的脈沖頻率（PPS）與方向信號(hào)（DIR）通過(guò)驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換為​​相位切換時(shí)序​​。例如，在雙極四線制電機(jī)中，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)DIR信號(hào)調(diào)整A+/A-與B+/B-繞組的通電順序，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。

4. ​​細(xì)分驅(qū)動(dòng)的硬件實(shí)現(xiàn)​​
   高端驅(qū)動(dòng)器集成​​數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）​​，通過(guò)預(yù)設(shè)細(xì)分參數(shù)（如1/32步）對(duì)輸入方波進(jìn)行插值運(yùn)算，生成高分辨率相位電流。此技術(shù)可消除傳統(tǒng)全步/半步驅(qū)動(dòng)的共振問(wèn)題，降低運(yùn)動(dòng)噪聲。

說(shuō)人話就是：步進(jìn)電機(jī)的控制需要正弦波但是一般來(lái)說(shuō)無(wú)論P(yáng)LC還是MCU亦或是FPGA等器件，不做特殊處理從IO口輸出的都是方波，當(dāng)然這里主要討論P(yáng)LC，PLC只能輸出不同頻率不同占空比的方波，因此需要對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板將PLC輸出的時(shí)鐘信號(hào)（控制信號(hào)）和方向信號(hào)轉(zhuǎn)化為供步進(jìn)電機(jī)工作的電流信號(hào)。

三、三菱PLC步進(jìn)電機(jī)控制基礎(chǔ)

根據(jù)前文所說(shuō)，我們知道輸入到電機(jī)的信號(hào)不是直接從PLC輸出的信號(hào)要經(jīng)過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板轉(zhuǎn)化，那么我們?cè)趺礃涌刂齐姍C(jī)轉(zhuǎn)速呢？

首先確定電機(jī)的步進(jìn)角（由電機(jī)決定）

再確定電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的細(xì)分?jǐn)?shù)（由電機(jī)驅(qū)動(dòng)板卡決定）

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要的脈沖數(shù)

步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈所需的脈沖數(shù)取決于電機(jī)的基本步距角和細(xì)分?jǐn)?shù)。具體來(lái)說(shuō)，如果知道步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)基本步距角（即電機(jī)接收一個(gè)脈沖所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度），并且知道驅(qū)動(dòng)器設(shè)置的細(xì)分程度，那么就可以計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要多少個(gè)脈沖。

度量單位，也就是如何衡量步進(jìn)馬達(dá)行走的距離---步進(jìn)角，就是一個(gè)脈沖馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。步進(jìn)馬達(dá)的步進(jìn)角一般為1.8°。0.9°，0.72°，0.36°，0.0288°，等等。步進(jìn)角越小，則步進(jìn)馬達(dá)的控制精度越高。我們根據(jù)步進(jìn)角可以控制馬達(dá)行走的精確距離。比如說(shuō)，步進(jìn)角0.72°，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一周需要的脈沖數(shù)為360/0.72=500脈沖，也就是對(duì)步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出500個(gè)脈沖信號(hào)，馬達(dá)才旋轉(zhuǎn)一周。

• 首先，確定步進(jìn)電機(jī)的基本步距角，比如1.8度。
• 然后，根據(jù)驅(qū)動(dòng)器上的細(xì)分設(shè)置，例如32細(xì)分，這意味著每個(gè)基本步距角被分成了32份，每一脈沖會(huì)讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)更小的角度。
• 計(jì)算一圈（360度）需要的脈沖數(shù)，就是用360度除以經(jīng)過(guò)細(xì)分后的每步角度。在這個(gè)例子中，一圈需要的脈沖數(shù)等于360度除以細(xì)分后的每步角度（1.8度除以細(xì)分系數(shù)）。

每秒鐘產(chǎn)生的脈沖數(shù)（PPS）

每秒鐘能產(chǎn)生的脈沖數(shù)取決于系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率以及生成每個(gè)PWM脈沖所需的時(shí)間（或者說(shuō)是系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)）。這個(gè)值反映了控制器能夠向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖的速度。

• 如果知道系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率，并且知道為了產(chǎn)生一個(gè)PWM脈沖需要多少個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，就可以計(jì)算出每秒鐘可以產(chǎn)生的脈沖數(shù)量。
• 例如，如果系統(tǒng)時(shí)鐘頻率很高，并且設(shè)定每個(gè)PWM脈沖由一定數(shù)量的系統(tǒng)時(shí)鐘周期組成，那么可以通過(guò)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率除以每個(gè)PWM脈沖所需的系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)來(lái)得到每秒能產(chǎn)生的脈沖數(shù)。

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速（RPM）

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以用每分鐘轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)來(lái)表示。這取決于每秒鐘產(chǎn)生的脈沖數(shù)和轉(zhuǎn)一圈所需的脈沖數(shù)。

• 轉(zhuǎn)速計(jì)算基于每秒鐘產(chǎn)生的脈沖數(shù)（PPS）除以轉(zhuǎn)一圈所需的脈沖數(shù)，然后乘以60轉(zhuǎn)換成每分鐘的轉(zhuǎn)速。
• 這意味著，通過(guò)調(diào)整細(xì)分設(shè)置或改變每秒鐘發(fā)送的脈沖頻率，可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。增加細(xì)分級(jí)別會(huì)減少每次脈沖讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，而增加脈沖頻率則會(huì)加快電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

綜上所述，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)直接與接收到的PWM脈沖數(shù)量相關(guān)，而PWM脈沖的數(shù)量又受到系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、細(xì)分設(shè)置以及每個(gè)PWM脈沖持續(xù)時(shí)間的影響。通過(guò)調(diào)節(jié)這些參數(shù)，可以精確地控制步進(jìn)電機(jī)的位置和速度。

上面可能有點(diǎn)復(fù)雜，簡(jiǎn)單點(diǎn)來(lái)說(shuō)就是知道電機(jī)的步進(jìn)角，然后知道電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的細(xì)分?jǐn)?shù)，對(duì)應(yīng)PLC來(lái)說(shuō)，PLC的一個(gè)脈沖（50占空比）電機(jī)就走步進(jìn)角/細(xì)分?jǐn)?shù)這么多度，知道這個(gè)現(xiàn)在你想算轉(zhuǎn)速圈數(shù)需要的PWM頻率和時(shí)間，不用我多說(shuō)了吧。

四、項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)

目的實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)并控制其按照不同的頻率進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。首先利用MOV命令為不同寄存器存不同的頻率（根據(jù)電機(jī)類型和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板計(jì)算，計(jì)算方法前文有）。

PLSY可以讓PLC內(nèi)部的輸出器件在繼電器有效時(shí)間內(nèi)輸出預(yù)定數(shù)量個(gè)頻率的PWM波。

電機(jī)頻率自動(dòng)化程序，每跑固定數(shù)量的脈沖后自動(dòng)更新（按前面寄存器設(shè)置順序進(jìn)行更新）,在更新到最后一個(gè)寄存器值以后以該頻率一直運(yùn)行。

注：Z0是變址，為區(qū)間復(fù)位，運(yùn)行該指令后，T0-T196所有的定時(shí)器，全部復(fù)位。
Z0=1，Y0Z0=Y1，此時(shí)Y1點(diǎn)的動(dòng)狀態(tài)要看有沒(méi)有驅(qū)動(dòng)。Z0為寄存器，不存在點(diǎn)不點(diǎn)亮。當(dāng)輸入MOV K1 Z0時(shí)，即可讓Z0等于1，當(dāng)Z0=2時(shí)，Y0Z0=Y2，程序?yàn)閘d m8000、mov d0z0 d20v10。說(shuō)明：若Z0=2，v10=5，運(yùn)行指令后，即將D2內(nèi)面的數(shù)據(jù)傳送到D30。