(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！) 基于PLC的步进电机控制系统设计
机械电子专业 XXX
指导教师 XXX
摘要：以德国西门子公司小型可编程逻辑控制器S7—200为中央处理单元，以步进电机作为控制对象。介绍了PLC的概念原理以及控制的优点，步进电机的概念及工作原理，现状以及发展方向。PLC与步进电动机一起结合起来有很高的研究价值与意义。本文在介绍步进电机控制特点的基础上,重点研究了步进电机的控制策略。设计了控制系统的硬件方案，并编写了相应的控制流程，测试了实际控制效果，并提出相应的整改措施，达到更加合理高效的目标。对于使用步进驱动器的步进控制系统，控制器对步进电机的控制关键在于控制脉冲信号的产生。介绍了使用该控制器产生控制脉冲信号的多种不同实现方法，进而实现对步进电机不同控制方法。
关键词：可编程逻辑控制器；步进电机；控制策略；控制流程
The Research Of Stepper Control Method Motor
Based On PLC
Student majoring in Machinery and electronics specialty XXX
Tutor XXX
Abstract：With small Germany Siemens S7-200 programmable logic controller of
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the central processing unit, with stepping motor as control object. This paper introduces the concept of PLC principle and advantage of the control, the concept and working principle of stepper motor, the current situation and development direction. PLC combined with stepper motor this paper, based on the introduction to the characteristics of the stepper motor control, step motor control strategies are researched. Design the measures, achieve more reasonable and efficient. For using stepper drive stepper control system, the controller of stepper motor control is the key to control the generation of pulse signal. This paper introduces the control using the controller a variety of different implementation methods of the pulse signal, then the method to realize different control the stepper motor.
Key words:Programmable logic controller; Stepping motor; The control strategy; Control the process
引言
伴随着经济的快速发展，科技的日新月异，产品更新换代周期缩短，生产效率有了更高的要求，特别是计算机技术的广泛的推广和普及，信息产业发挥了它无与伦比的优越性和高效性，其中可编程逻辑器件就有了更多的用武之地。
可编程序控制器(programmable logic controller)，俗称PLC，它是一种基于数字运算操作的电子系统，现在在工业环境设计中它产生了很高的价值，并带来了很大的效益。PLC在工业控制领域得到了广泛的应用, 同时微电子技术和计算机技术的更新，其功能也相应的得到了很大
的发展，PLC已经不再局限于逻辑控制、顺序控制的普通技术层面，现在已经深入到模拟量控制，甚至远程通信功能等高技术领域。所以PLC 与CADCAM、机器人技术一起被称为当代工业自动化的三大支柱[1]。PLC不仅仅具有数据采集、逻辑处理功能，同时还兼具有高速脉冲输出和采集功能。随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。从技术水平上看，计算机技术的不断更新，技术平台的更加高效，可编程控制器可以以此作为平台，在设计和制造上更加事半功倍，特别是在运算速度、存储容量、智能化方面会变的更快、更大、更强；从产品规模上看，PLC会基于计算机技术向超小型和超大型方向发展；从产品的配套性上看，PLC产品的种类会更丰富、规格更加完善，人机操作界面方面会变得更加人性化，强大的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从技术研发方面上看，很多国家都很重视PLC技术的开发设计，并将它的发展水平作为科技发展水平的一项很重要的方面，国际竞争会更加激烈，而激烈的市场效率竞争会出现少数几个强大的品牌垄断国际市场的局面，便会产生国际通用的编程语言，更加适合技术的交流和应用。随着计算机网络技术的迅猛发展和强大技术支持，可编程控制器将成为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，并将在工业及工业以外的许多领域发挥着越来越重要的作用，并创造着越来越大的效益[2]。
步进电机是机电一体化产品中扮演着很重要的角色，步进电动机经常用在精确定位控制和定速控制，它能将数字输入脉冲转换成旋转或直
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线增量运动的电磁执行元件。步进电机作为常用的一种电气执行元件，由于其具有精度精准、惯性影响小、工作稳定，能在高精度快速开环控制的时候发挥它的优势，被广泛应用在各种不同的自动化控制领域…。
PLC与步进电机的结合控制模式在各种工业化生产、自动化控制系统和精密制造机械行业等领域的研究备受人们所关注和期待。本文以这样一个系统为对象，探讨使用PLC实现对步进电机控制的多种不同方法。
1概述
1.1 关于PLC和步进电机的状况
1.1.1 PLC方面PLC，即可编程控制器(Programmable logic Controller)的简称,它是基于计算机技术为基础的新型工业控制自动控制装置。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
PLC的性能特点:配套齐全，功能完善，适用性强；可靠性高，抗干扰能力强；系统的设计、建造工作量小、维护方便、容易改造，易学易用，体积小，重量轻，能耗低，故深受工程技术人员欢迎。
1.1.2 步进电机方面步进电动机是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。步进电机在结构类型上分，有反应式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式(Hybrid Stepping,HS)三种[3]。
步进电机是一种将电子数字脉冲信号转变为机械运动的电磁增量运动器件。典型的电机绕组固定在定子上，而转子则由硬磁或软磁材料组成。当控制系统将一个电脉冲信号经功率装置加到定子绕组中，电机便会沿一定的方向旋转一步。脉冲的频率决定电机的转速。电机转动的角度与所输入的电脉冲个数成正比；所以，改变输入脉冲的个数就就能控制步进电机的转子运行角度。
步进电机有以下特点：运行角度正比于输入脉冲，便于开环运行，花费少；具有锁定转矩；定位精度高，并且没有累积误差；具有优良的起动、停止、反转响应；无电刷和可靠性高；可低速运行，直接驱动负载；不适宜的控制会引起振动；不宜运行于高速状态。
1.2 PLC控制步进电机研究的意义
基于步进电动机良好的控制和准确定位特性，被广泛应用在精确定位方面，诸如数控机床、绘图机、扎钢机、自动控制计算装置、自动记录仪表等自动控制领域。PLC作为简单化了的计算机，功能完备、灵活、通用、控制系统简单易懂，价格便宜，可现场修改程序，体积小、硬件维护方便，价格便宜等优点，在生产生活中广泛应用，带来了巨大效益
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方便。
由于将PLC作为控制器和把步进电机作为执行元件组成的运动控制系统具有相当的典型性和通用性，通过研究用PLC来控制步进电动机的，既可实现精确定位控制，又能降低控制成本，还有利于维护。以往的步进电动机需要靠驱动器来控制，随着技术的不断发展完善，PLC 具有了通过自身输出脉冲直接步进电动机的功能，这样就有利于步进电动机的精确控制[4]。
1.3 本课题研究的内容
本课题主要研究三相步进电机的控制，使用的PLC是西门子S7-200 CN系列PLC-CPU224XPCN ACDCRLY,能对三相步进电动机的转速进行控制，能对三相步进电动机的步数进行控制实现调速功能，实现快速启动、快速停止、正反转互换控制及制动操作等。
2 步进电机和PLC的结构及选用
2.1 PLC的结构
PLC-CPU224XPCN ACDCRLY的基本结构情况为：CPU224XPCN，24VDC电源，24VDC输入，24VDC输出，6ES7 214-2AD23-0XB8，有14个输入，10个输出共24个数字量IO端子点，2个输入，1个输出共3个模拟量IO端子点，可连接7个扩展模块，可扩展至168路数字量IO点，还可以实现38路模拟量IO点。22K字节程序和数据存储空间，拥有独立的高速计数器(100KHz)达6个，并且
还有100KHz的高速脉冲输出2个，上升沿和下降沿边沿中断各4个，RS485通讯编程口2个，同时具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。PLC-CPU224XPCN ACDCRLY还具有其他的很多很有用的功能，例如内置模拟量IO，位控特性，数据记录及配方功能等，由于PLC-CPU224XPCN ACDCRLY具有模拟量IO和强大控制能力的新型CPU，所以可以很轻松的帮助步进电机实现精准的定位任务[5]。
步进电机和PLC必须要相匹配才能达到给定的系统参数；比如PLC输出的最高频率决定了步进电机的最高转速等。具体计算如下：脉冲当量=（步进电机步距角×螺距）（360×传动速比）；
脉冲上限频率=（移动速度×步进电机细分数）脉冲当量；
最大脉冲数量=（移动距离×步进电机细分数）脉冲当量；
性能指标的提高，在步进电机工作方式的时候要尽量提高其性能指Tn，调速范围D等。
式中，Tn是n相同时通电时转矩，m表示电机相数。
由上式可得其解决Tn的办法是多采用多相通电的双拍制，少采用单相通电的单拍制，在步进电机工作方式的时候才能得到更高的提高。
由于本设计用PLC控制三相步进电动机，故选用36BF02型反应式步进电机作为控制对象，三相步进电动的步距角为或。
2.2 步进电机的结构特点
36BF02型反应式步进电机的特点：反应式步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积；反应式步进电机外表允许的最高温度在摄氏；反
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应式步进电机的力矩会随转速的升高而下降；反应式步进电机在低速状态下也可以正常运转,但若高于极限速度后，就无法启动。
空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率。如果脉冲频率高于该脉冲频率值时，步进电机便不能正常启动。在有负载的情况下，启动频率会更低。如果要想步进电机实现较高的高速转动，那么脉冲频率就必须要有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频[6]。
(1)步进电机结构剖面图如图2-1所示。
图2-1步进电机结构剖面图
电机的定子齿有三个励磁绕阻，转子细分为均匀的40个小齿，励磁绕阻的几何轴线与转子齿轴线错开，距离分别为0、13、23 (相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示)，那么A相与齿1相对齐，B相与齿2向右错开13，C相与齿3向右错开23，A'与齿5相对齐，那么就是说A'就是A，齿5就是齿1[7]。定转子的展开图如图2-2所示。
(2)旋转其通电状态。
当采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态时，原来每步13会变成
每步16，甚至可以组合不同的二相电流，使其13变为112，乃至于124，这就是电机细分驱动的基本理论依据。很容易得出一般规律：如果电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1m，2m……(m-1)m，1。
36BF003型步进电动机的三个绕组分别用A、B、C表示。
三拍运行时，正转通电顺序为A→B→C→A…，反转通电顺序为C →B→A→C…；或正转通电顺序为AB→BC→CA→AB…，反转通电顺序为AC→CB→BA→AC…。
六拍运行时，正转通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A…；反转通电顺序为A→AC→C→CB→B→BA→A…。
'
图2-2定转子的展开图
(3)频率关系和转速的关系
式中，M、Z、K同上；n为每分钟转速rmin；当M相M拍通
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电时，K=1，当M相2M拍通电时，K=2。
(4)力矩
步进电机通电后，就会在定子和转子间将产生磁场(磁通量Ф)，当转子与定子错开一定角度，力F与(dФdθ)成正比，其磁通量（Br为磁密，S为导磁面积），F与成正比，L为铁芯有效长度，D为转子直径。
在线性状态下，得出力矩公式
V:半径力矩与电机有效N:安匝数
因此，力矩与电机有效体积、励磁安匝数成正比，而与定转子间气隙成反比，反之亦然[8]。
2.3 步进电机的驱动系统
步进电机在单单仅给予电压时，电机是不会动作的，必须透过脉波产生器提供位置（脉波数）、速度的脉波信号指令，以及驱动器驱动电流流过电机内部线圈、依顺序切换激磁相序的方式才能够让电机运转,开环伺服系统图2-3，而欲使步进电机动作的必要系统组成有：
(1)脉冲产生器：给予角度（位置移动量）、动作速度及运转方向之脉冲信号的电机驱动指令。
(2)步进驱动器：依控制器所投入的脉冲信号指令，提供电流来驱动步进电机动作。
(3)步进电机：提供转矩动力输出来带动负载。
所以步进电机系统构成简单，不需要速度感应器（ENCODER、转
速发电机）、位置传感器（SENSOR），即能依照脉冲产生器所输入的脉冲来做到速度及位置的控制[9]。
图2-3 开环伺服系统
脉冲源采用555定时器产生，它工作频率易于改变从而可以控制步进电机的速度并且工作可靠，简单易行，占空比可调的方波发生器如图2-4, ,。在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑。同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，即要求程序有较好的柔性。
图2-4占空比可调的方波发生器
3 驱动电路电源设计方案
3.1 方案设计
(1)方案一步进电机选反应式步进电机，驱动电路选用高低压切换电源。高低压切换型电源的原理线路如图3-1所示。图中当分配器输出端出现控制信号U,要求绕组通电时，三极管的基极都有信号输入使导
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通，于是在高压电源的作用下，绕组电流迅速上升，电流迅速上升，电流前沿很陡。当电流达到或稍微超过额定稳态电流时,利用定时电路或者电流检测反馈等措施使基极上信号电压消失，因此绕组电流立即转而由低压电源经过二极管供给。低压电源的电压值应使绕组中的电流限制在额定稳态电流值。当分配输出端信号电压U消失，要求绕组断电时，基极上的信号电压也消失了。绕组中的电流经二极管及电阻向高压电源放电，电流迅速下降。
(2)方案二驱动电路选择单一电压型电源。图3-2是单一电压型电源的一相功放电路（m相电机有m个这样的功放的电路）的原理图。来自分配器的信号经过几级电流放大后加到三极管V1的基极，控制的导通和截止。V1是功放电路的末级功放管，它与步进电机一相绕组串联，所以通过功放管V1的电流与通过步进电机的电流是相等的。由步进电机的工作原理可知道这样的电流波形会使步进电机的输出转矩减小，动态特性变坏。若要提高转矩，应缩短电流上升的时间常数Ta，使电流前沿变陡，这样，电流波形接近矩形。由于Ta=RL，要减少Ta就要在设计电机时尽量要减小绕组电感L。另外，如果加大图3-1中串联的电阻R1也就可以使时间常数Ta下降，但是加大R1以后，为了达到同样的稳态电流值，电源电压就要作相应的提高；图3-3中曲线I’和I’’分别表示串联电阻R1’和R1’’（R1’’> R1’）时的绕组电流波形图。可以看出，当R1增大后，电流幅值增大，波形更加接近于矩形。这样可以增大转矩，提高启动和连续运行频率，并使启动和运行矩频特性下降
缓慢，如图3-4所示曲线T’和T’’分别表示串联电阻为R1’和R1’’时候的特性。
(3)方案比较和选择
单一电压型电源只有一种电压，功放元件少，成本低。但是它的最主要缺点是电流流过串联电阻R1后要消耗非常可观的电能，这部分消耗的电功率变成了热量白白的浪费掉了。而且功耗随着R1值及其电机功率的增大而增大。这样，一方面是电源设备的效率大为下降，同时所散发的热量又使控制柜内温度升高，为了不影响电子元件的性能，还需要增添许多散热设备，因而增大了电源体积，提高了成本。
而使用高低压切换型电源则不存在这样的问题，因为电机绕组上不需要串联电阻或者只需要串联一个很小的电阻R1（为平衡各相电流，其值一般约为0. 1 ~0.5Ω），所以电源功耗也比较小。而且高低压切换电源加在绕组中的电压和电流波形图也会得到很大改善如图3-5，所以导致电机的转矩特性很好，启动和运行频率都得到很大的提高。
在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑，要求程序修改方便、简单。
通过对方案一和方案二的比较，本次设计选择方案一。
(4)步进电机驱动电源的选择
步进电机是由专门的驱动电源供电的，驱动电源和步进电机是一个有机整体，步进电机的运行性能是电动机及其驱动电源二者配合的综合表现。
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(5)调速范围的确定
由于技术参数已经给定，所以在选用步进电机的时候要注意在调速时在调速范围内的脉冲频率不能小于步进电机的自由振动频率的1k，否则转子会发生强烈振荡甚至失步。解决办法是为削弱振荡现象，一般都会装有机械阻尼器。
图3-1 高低电压驱动电路原理图图3-2单电压驱动
电路原理图
I T
T’’
T’
r f
图3-3 不同串联电阻值对电流的影响图3-4不同串联
电阻对矩频特性的影响
U1
t
图3-5 绕组换接时电流和电压的变化
3.2 步进电机的速度控制
步进电机的运转速度会与输入的脉冲速度成等比例的关系，所以在脉冲的速度愈快时，步进电机的转速也会跟着加快；脉波速度愈慢时，电机的转速自然也跟着变慢。
电机的运转速度（RPM）与脉冲速度（PPS，又称Hz）间的关系式如下：
电机的运转速度（RPM）＝脉冲速度（PPS或Hz）× 60÷步进电机分割数圈
说明：
(1)RPM为一般电机的速度单位，即rev min，为每分钟电机所转的圈数；PPS为步进、伺服电机的速度单位，即pulse per second，为每秒所送出的脉冲数。
(2)由于RPM与PPS的单位不同，所以于转换的过程中要先将PPS的秒钟乘以60变为分钟。
(3)步进电机分割数圈，又代表要让电机转一圈所必须送出的脉冲数。
(4)上述公式拆解后之单位表示为
→ revmin = pulsesec ×60 ×1分割数
FP1有一条SPD0指令，指令配合HSC和Y7的脉冲输出功能便可实现对速度及位置控制[10]。速度控制梯形图见图3-6，控制方式参数见表
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3-1，脉冲输出频率设定曲线见图3-7。
位置控制：
步进电机不需要位置传感器（SENSOR），就可依照输入的脉冲数决定移动量，并将负载顺利、正确的送达指定位置点上。而移动量的大小，是依照电机分辨率的大小与输入的脉冲数来决定。脉冲数（PULSE）与移动量间的关系式如下：
位置移动量＝步进电机分辨率×输入脉冲数
3.3 脉冲和角度的关系
(1)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
式中，M为定子绕组相数；Z为转子齿数；K为通电方式系数，当M相M拍通电时，K=1，当M相2M拍通电时，K=2。
3.4 减小步距角的途径方法
本课题使用的步进电机未细分时能达到的最小步距角为1.5°（三相六拍模式）。转速较高时，由于转子本身的惯性，电机可近似看作匀速转动。但在低速运行时，较大的步距角造成两步之间的时间间隔较长，在下一个电脉冲到来之前转子已经停止转动，由此造成运行的不连续及低频振动。此外实际应用中 1.5°的步距角往往不能满足精度需要，为了提高精度，要求一个脉冲对应的位移量小，即步进电机的步距角小[9]。
减小步距角有以下四种方法：
(1) 增加步进电机控制绕组的数量。步距角Q与绕组数Mc成反比，Mc越大则Q越小。三相步进电机单拍运行时的步距角为3°（40转子齿），如果采用四相电机，则步距角减小到1.8°（50转子齿）。但是相数越多电机结果越复杂，制造越困难，靠增加相数减小步距角的成本很高。
(2) 增加拍数。即增大状态系数C。状态系数也与步距角成反比，增加拍数相当于增加绕组相数。三相步进电机单三拍运行时步距角为3°，采用三相六拍模式后步距角减小到原来的一半。但步进电机所能实现的拍数同绕组相数直接相关，三相步进电机最多能实现的拍数是六拍，四相电机最多八拍。靠增加拍数减小的步距角有限。
图3-6 速度控制梯形图
S
S+1 F1 设定初始脉冲频率
S+2 M1 设定目标位置对应的脉冲个数
S+3
S+4 F2 设定下一个脉冲频率
S+5 M2 设定下一个目标位置对应的脉冲频率
S+6
..... ...... .......
S+N Fn 设定最终目标频率，该值应为“0”
表3-1 控制方式参数
fhz
4000
3000
2000
1000 频率常数
0 100 200 300
图3-7 脉冲输出频率设定曲线
(3) 增加转子齿数Zr。由于Zr与步距角Q成反比，增加转子齿数也能减小步距角。但受加工精度、制造成本限制，转子齿数不能无限增多。
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(4) 采用细分电路。对于一个步进电机，采用细分电路后其步距角减小为原来的1N（N为细分数）。理论上N可以无限增大，从而步距角Q可以无限减小。细分电路对于任何反应式步进电机都适用，尤其是步距角较大的低端步进电机，能显著减小步距角，提高运动精度，从而在某些场合可以代替高端步进电机[11]。
4 三相步进电机控制系统程序设计
本设计中使用的PLC为西门子S7-200 CN系列PLC CPU224XPCN ACDCRLY，借助于实验室实验平台，选用36BF02型反应式步进电机。
要实现功能：通过PLC控制步进电动机在单步、连续运行的情况下实现三拍、六拍的正、反转运动及实现无级调速。
4.1 方案设计
在步进电动机控制系统中，步进电动机作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点，广泛应用于各种控制中，其控制主要有开环、半闭环、闭环控制。
（1）方案一：开环控制系统
开环步进电机控制系统框图4-1
指令脉冲输出
图4-1开环步进电机控制系统框图
开环控制系统没有使用位置、速度检测装置及反馈装置，因此具有结构简单、使用方便、可靠性高、制造成本低等优点。另外，步进电动
机受控于脉冲量，它比直流电机或交流电机组成的开环精度高，适用于精度要求不太高的机电一体化伺服传动系统。
（2）方案二：半闭环控制系统
半闭环控制系统调试比较方便，并且具有很好的稳定性，不过精度不高，较少使用。半闭环步进电动机控制系统框图4-2。
（3）方案三：闭环控制系统
闭环控制系统定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。综合三种方案，根据步进电动机的特点，从制造成本与系统结构复杂程度考虑，本设计采用方案一，在开环控制系统中，用PLC 控制三相步进电动机。闭环步进电动机控制系统框图4-3。
4.2 控制流程分析
控制要求：当按钮开关拨到单步时，必须每按一次起动，电机才能旋转一个角度；当按钮开关拨到连续时，按一次起动，电机旋转，直到按停止；当按钮开关拨到三拍时，旋转的角度为3o；当按钮开关拨到六拍时，旋转角度为1.5o；当按钮开关拨到正转时，旋转按顺时针旋转；当按钮开关拨到反转时，旋转按逆时针旋转；当单步要转到连续或是连续转到单步，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)当三拍要转到六拍或六拍要转到三拍，可以通过停止也可以直接转换；(通过编程)当正转要转到反转或反转要转到正转，可以通过停止也可以直接转换(通过编程)[10]。
此设计使用开环控制步进电机。传统的控制系统框图如图4-4所示。
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而本课题使用PLC为西门子S7-200 CN系列PLC---CPU224XPCN ACDCRLY，可以直接输出脉冲驱动36BF02型反应式步进电机运行，指令可通过程序代替，而“变频信号源”、“脉冲分配器”、“脉冲放大器”则全部由PLC替代，进而取代了具有以上四项功能的驱动器，使得控制十分简单，所以本课题的控制框图可简单用图4-5表示。
指令脉冲输出
＋
－速度反馈
位置反馈
图4-2 半闭环步进电动机控制系统框图
(2)三相步进电机流程图如图4-6所示。
指令脉冲输出
速度反馈
位置反馈