PLC（Programmable Logic Controller）控制步进电机在许多工业控制中应用广泛，本文介绍了PLC通过发送脉冲和方向信号给步进电机的驱动器，由驱动器来控制步进电机工作的原理，并研究了步进电机的频率曲线，分析总结出用PLC控制步进电机使运动小车的运行速度最优化，并在中药自动配药系统中以实验数据证明了步进电机在PLC控制下的频率曲线优化的可行性。
1 引 言
PLC（Programmable Logic Controller）是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器。它的高可靠性，简单直观的编程方式，及越来越完善的功能使得它在工业控制领域中得到了广泛应用。其中，在很多自动控制系统中都是由PLC来控制步进电机，当PLC发送脉冲信号和方向信号时，步进电机的驱动器通过PLC的脉冲输出口接收脉冲信号和方向信号来控制步进电机工作，一个脉冲信号可以使步进电机旋转一个固定角度，那么脉冲数和频率之间一定存在某种关系，步进电机的频率曲线直观的反映了这种关系。在中药自动配药系统的开发与研制中通过PLC控制步进电机的脉冲数，保证了取药小车能准确到达取药位置取药的目的。如果脉冲数和频率设置不当，取药小车不仅运行速度慢，还可能出现抖动、噪音大、加快机器磨损等不良因素，从而影响了整个系统的工作效率，因此对步进电机的频率曲线进行优化是很有必要的。
2 可编程控制器（PLC）基本结构及工作原理
PLC从结构上分为固定式和组合式（模块式）。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等；模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，各模块可以按照一定规则组合配置。CPU是PLC的控制中枢，由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成。输入模块通过接收和采集信号输入至CPU 处理；输出模块接收由CPU成功处理的信息并控制接触器、数字显示装置等输出设备。此外，PLC的编程装置用来生成用户程序，常用的手持式编程器用来给小型PLC编程，一般由计算机（运行编程软件）充当。国际电工委员会（IEC）于1994年公布了PLC的编程语言标准（IEC113123），该标准定义了5种PLC编程语言：梯形图LAD（Ladder Diagram）、语句表STL（Inst ruction List）、功能块图FBD（Function Block Diagram）、结构文本ST（St ructured Text）、顺序功能图SFC（Sequential Function Chart）。使用编程软件可在屏幕上直接生成和编辑梯形图、顺序功能图等程序，并可实现不同的编程语言的相互转换，程序被编译后下载到PLC的存储器中。PLC采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作，CPU根据存储器中的用户程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，在没有中断或跳转指令的情况下，CPU开始按顺序逐条执行程序，进行各信号之间的逻辑运算，最后将结果写入输出过程映像寄存器，信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，从而使外部负载通电工作。
3 步进电机及其频率曲线
步进电机广泛应用于自动化控制领域，其驱动电源的输出受外部脉冲信号和方向信号控制。步进电机的功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度，这个角度称为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度，通过变化脉冲发生器的频率实现调速。许多工业控制中要求机床、机械手等设备具有上下、前后、左右等各方向上的运动，而方向信号则决定了旋转的方向。就一个传动速比确定的具体设备而言，无需距离、速度信号反馈环，只需控制脉冲的数量和频率即可控制设备移动部件的移动距离和速度，而方向信号可控制移动的方向。因此，对于控制精度要求不是很高的应用场合，用开环方式控制是一种较为简单而又经济的电气控制技术方案。
设置好步进电机的脉冲数及其频率参数可以提高整个控制系统的工作效率。其脉冲数和频率参数具有如图1所示的关系。
图1 步进电机频率曲线
图1充分体现了步进电机启动后加速、匀速、减速的运动过程，但是在工业控制领域中，考虑到机器的磨损程度、运动是否平滑、机器是否有噪声污染等客观原因决定了仅仅这三段曲线是不够的，实际情况会复杂很多，通常会采用7段、11段甚至更多段曲线来解决那些由于机器自身原因产生的抖动、噪音大、启动吃力等不良问题。nextpage
4 中药自动配药系统中取药小车的优化方法
4.1 中药自动配药系统简介
中药自动配药系统中采用的是西门子公司出品的S7-200系列PLC控制步进电机工作，该系统取药装置主要由负责在X方向行走的取药小车和负责在Y方向行走的机械手组成，机械手安装在小车上，小车由X方向的步进电机（驱动小车左右行走）控制，机械手由Y方向的步进电机（驱动机械手上下行走）控制。小车在储杯器处取到药杯，由小车携带托着药杯的机械手行走至储药架指定位置取第一味药，第二味药，第三味药，…，直到所需的药全部取完，取药小车便回到封装器处对药杯封口完成一次取药流程。
4.2 实验数据分析及频率曲线的优化
这里主要针对X方向上驱动取药小车行走的步进电机的频率曲线进行分析。由于储药架上药瓶远近不同取药小车在取药过程中既要短距离行走，又要长距离行走。为避免损坏机器及提高取药定位的精确度，要求小车在短距离行走时缓慢、平稳、定位精确；为提高取药效率，则要求小车长距离行走时快速、平稳、防抖动、噪音小、定位精确。实验中发现，仅仅使用图1中的三段曲线是不能满足以上要求的。在S7-200系列PLC的梯形图编程方式中，步进电机驱动小车运动是通过调用子程序的方式实现的，子程序中需要的参数包括曲线的段数、初始周期、脉冲数、周期增量等，这些信息都存放在PLC的包络表中，当PLC的主函数调用该子函数时，包络表将提供所有的参数信息。在对取药小车长距离行走进行分析时，根据步进电机的工作频率与步长之间的关系，将图1中的第一段曲线和第三段曲线再次划分如图2所示。
图2 步进电机周期曲线（7段）
图2中前三段曲线段的作用效果等价于图1中第一段曲线段，若将包络表中的数据改为7段式曲线，并修改每段曲线的初始周期和脉冲数，即得到图2所示的周期曲线（由于包络表中频率是以周期的方式表示，因此，图2中将周期值换算成频率值，每段曲线的起始位置用“周期值（μs）/ 脉冲值（个）”的方式来标注该段曲线的初始周期和脉冲数，中部的数据代表该段曲线的周期增量，可以看作该段曲线的斜率，所有水平曲线的斜率为0，xpulse 是由主函数传递过来的电机驱动取药小车匀速运动时的脉冲数），从图中不难知道，每段曲线的周期及脉冲数和周期增量存在如下关系：（每段曲线的初始周期用tb表示，结束周期用te表示，脉冲数用p表示，周期增量用a表示）。
a＝（te－t）/p （1）
由图2可以得出定理：步进电机周期曲线中每段曲线的结束周期值等于下一段曲线的初始周期值，因此计算下一段曲线的初始周期可由公式1变换为：
te＝a×p＋tb （2）
在图2中，第一段曲线的初始周期为600，脉冲数为200，周期增量为－1，根据公式2计算出第二段曲线的初始周期为：
（－1）×200＋600＝400nextpage
后面曲线的初始周期值可按同样方式计算出来。如果步进电机启动加速时速度太慢，由于驱动力不够导致小车运动不起来；相反，若启动速度过大，又会造成机器的磨损程度增加同时噪音也很大，因此恰到好处的设置启动曲线段的初始周期及脉冲数尤为重要。测试结果表明，采用图2中的曲线段数和参数，小车行走比原来三段曲线时更平滑，噪音也稍有降低，在电机启动的瞬间以及停止的瞬间尤为明显，整个小车的稳定性得到了提高。在实验中不断修改曲线参数及段数，经过多次实验得到11段周期曲线，每段曲线的周期值和脉冲值如下表。
曲线的周期值和脉冲值表（11段）
由上表可知通常在PLC的子程序中要根据周期增量来计算下一段曲线的初始周期，为简化这一过程，在实验中采取了“跳跃式周期曲线”，即只留下整个曲线的水平部分，这样所有曲线的周期增量均为0，不仅免去计算的繁琐，同时在确定每段曲线的初始周期数和脉冲数时也比较自由，因此，周期曲线可简化为如图3所示。
图3 跳跃式周期曲线（9段）
测试结果表明，“跳跃式周期曲线”是可行的，也达到了预期的标准。对于取药小车短距离行走，由于小车行走的距离很短，一般30cm左右，只要保证小车在行走时缓慢、平稳、噪音小、定位精确就可以了。实验证明，将启动和匀速运动的速度设置的较慢就能达到目的，因此在短距离行走中将频率曲线划分成多段显得冗余，采用简单的三段曲线（图1中的曲线）并合理设置初始周期值就足够了。
4.3 实验结果
在中药自动配药系统中，取药小车短距离（小于或等于30cm）行走可直接采用图1中的周期曲线，而长距离（大于30cm）行走采用图4中的周期曲线。
图4 长距离行走“跳跃式周期曲线（12段）”
实验结果证明，取药小车在短距离行走时缓慢、平稳、噪音小、定位精确；图4的周期曲线克服了取药小车抖动的问题，同时加快了小车行走速度，减小了机器噪音，当小车停止在取药位置时也定位准确。
5 结 语
用PLC控制步进电机来驱动设备在我国工业控制领域应用广泛，并且该项应用具有结构简单、性能优良、稳定性高、成本低廉、适应范围广等优点。实践证明，将步进电机的频率曲线改为多段式并恰到好处的确定其初始周期,脉冲数等参数是可行的，不仅可以使步进电机更好的工作，而且可以提高由步进电机驱动的设备的运动速度，降低机器的磨损，降低机器噪音，防止抖动，同时整个控制系统的工作效率也将相对提高，因此研究怎样对步进电机频率曲线进行优化大有裨益，同时也具有良好的应用价值及推广价值。
