步进电机的PLC 控制调速方法之探索
步进电机又叫做脉冲电机，是控制系统中的一种执行元件。

它的作用是将脉冲信号变换为相
应的位移，即给一个脉冲电信号，步进电机就转动一个角度或前进一步。

由于步进电机的位
移与脉冲个数成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。

所以只要控制
指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。

步进电机具有较好的控制性能，其启动、停止、正反转及其它任何运行方式的改变都可
在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，从而实现精确定位。

同时可以通过控制脉冲
频率来控制步进电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

在负载能力范围内，这些
关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化，因而可适用于开环系统中作执行元件，使控制系统大为简化。

目前，我国已较多地将步进电机用于机械加工的数控机床中，在
绘图机、轧钢机的自动控制、自动记录仪表和数模变换等方面也得到较多的应用。

可编程序控制器简称PLC，是一种数字运算操作的控制系统，专门用于工业环境设计。

它的
主要特点是可靠性高、使用方便、体积小、重量轻、编程简单易学，在工业控制领域得到广
泛的应用。

目前，利用PLC 技术可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种
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
化的实现。

本论文以项目教学法的方式探索步进电机的PLC 控制转速方法。

本设计控制要求如下：按下
启动按钮，步进电机以100Hz 的基准频率正转。

按一次加速按钮，频率以50Hz 递增，最多
加速5 次；按一次减速按钮，频率以25Hz 递减，最多减速4 次。

加速时为正转，减速时为反转。

按下停止按钮，步进电机立即停止运行。

步进电机驱动器的细分设置为1，电流设置为1.5A。

1 控制系统的硬件设计
1.1 控制系统的结构。

本设计中，系统硬件部分由上位机、PLC、步进电机驱动器、步进电机、负载等组成。

上位机是计算机，作为控制面板、人机交互界面和控制软件编制环境，通过与PLC 的通信，实现操作监控功能；PLC 发出脉冲信号、方向信号，通过步进电机驱动器控制步进电机的运行状态。

1.2 控制系统的硬件。

1.2.1 PLC。

使用PLC 控制步进电机时，应该保证PLC 具有高速脉冲输出功能。

通过选择具有
高速脉冲输出功能或专用运动控制功能的模块来实现。

在本设计中，采用的是三菱系列
FX2N-32MT 型的晶体管输出型PLC。

在PLC 的选型上，必须采用晶体管输出型PLC，若使用继电器型的PLC，则高速脉冲的输出很难达到控制要求。

1.2.2 步进电机。

步进电机有步距角（涉及到相数）、静力矩、电流三大要素组成。

根据负载的控制精度要求选择步距角大小，根据负载的大小确定静力矩，静力矩一经确定，根据电机
矩频特性曲线来判断电机的电流。

一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

1.2.2.1 步距角的选择。

步进电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。

电机的步距角应等于或小
于此角度。

目前市场上步进电机的步距角一般有0.36 度/0.72 度（五相电机）、0.9 度/1.8 度（二、四相电机）、1.5 度/3度（三相电机）等。

1.2.2.2 静力矩的选择。

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。

静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。

单一的惯性
负载和单一的摩擦负载是不存在的。

直接起动时（一般由低速）两种负载均要考虑，加速起
动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。

一般情况下，静力矩应为摩擦负载
的2耀3 倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

1.2.2.3 电流的选择。

静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据
矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。

1.2.3 步进电机驱动器。

遵循先选电机后选驱动的原则。

电机的相数、电流的大小是驱动器选择的决定性因素。

在选型中，还要根据PLC 输出信号的极性来决定驱动器输入信号是共阳极
或共阴极。

为了改善步进电机的运行性能和提高控制精度，通常通过选择带细分功能的驱动
器来实现。

目前驱动器的细分等级有2 倍、4 倍、8 倍、16倍、32 倍、64 倍等，最高可达
256 倍细分。

在实际应用中，应根据控制要求和步进电机的特性选择合适的细分倍数，以达
到更高的速度和更大的高速转矩，使步进电机运转精度更高，振动更小。

如图2 所示。

公共端：采用共阳极接线方式。

将输入信号的电源5V 正极连接到该端子上。

控制信号低电平有效。

脉冲：共阳极时该脉冲下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲，并驱动电机运行一步。

方向：该段信号的高电平和低电平控制步进电机的两个转向。

共阳极时该端悬空被等效认为输
入高电平。

脱机：该端接受控制机输出的高/低电平信号，共阳极低电平时电机相电流被切断，转子处于自由状态。

A+/A-，B+/B-：该端接两相混合式步进电机。

DC+/DC-：该端接10V-40V
间的直流电源。

1.3 控制系统的连接。

本设计的相关硬件连接如图3 所示。

2 控制系统的软件设计
2.1 PLC 的I/O 地址分配。

2.2 步进电机驱动器的设置。

在驱动步进电机运转的PLSY指令中，脉冲的个数=360毅/步距角，工作的频率=脉冲个数/运行时间。

不指定脉冲个数，则默认为65535 个脉冲。

在方向信
号输入为0 时，默认为反转。

根据控制要求，步进电机驱动器的细分设置为1，SW1-SW3 的
设置为000，步进电机的步距角为1.8毅；电流设置为1.5A，SW5-SW7 的设置为101。

2.3 梯形图和指令表。

3 步进电机控制系统的调试
3.1 初始化程序。

程序开始运行时，D0 初始值为K100，指定的频率为100Hz。

3.2 步进电动机正转。

按下启动按钮X0，PLC 的Y0 脉冲输出，Y2 高电平输出，步进电机正传运行。

3.3 正传加速调整。

X2 为正传加速按钮。

当按下一次X2时，在步进电机运行的当前频率的
基础上，以20Hz 递增，于是步进电机转速增加。

最多加速5 次。

3.4 反转减速调整。

X3 为反转减速按钮。

当按下一次X3时，在步进电机运行的当前频率的
基础上，以20Hz 递减，于是步进电机转速增加。

最多减速4 次。

本论文采用了PLC 控制两相混合式步进电机的加减速，方法简单，控制方便，可靠性高。

本论文中的程序通过现场实物
调试，验证了方法的正确性和可行性。

用软件完成脉冲分配功能，可以减少硬件资源，降低
成本，控制的参数改变方法灵活，提高了控制系统的可靠性和灵活性。

本文着重探索了步进
电机的PLC 控制的调速方法，详细介绍了步进电机调速的具体控制过程。

文中有不妥之处，
恳请斧正。

参考文献
1 龚仲华.三菱FX 系列PLC 应用技术.人民邮电出版社
2 常州双杰电子有限公司步进电机技术资料。