東華理工大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院 萬(wàn)智輝 余宏濤

步進(jìn)電機(jī)的PLC控制系統(tǒng)

東華理工大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院 萬(wàn)智輝 余宏濤

采用PLC控制步進(jìn)電機(jī)，其控制電路簡(jiǎn)單、軟件編程方便?？梢允瓜到y(tǒng)簡(jiǎn)化，工作可靠，而且可以獲得較高的控制精度。

步進(jìn)電機(jī) PLC 邏輯控制

引言

步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)由于具有轉(zhuǎn)子質(zhì)量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，已成為運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的主要執(zhí)行元件之一。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)和機(jī)電一體化設(shè)備中。PLC是適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，簡(jiǎn)單易懂，操作方便，可靠性高的新一代通用工業(yè)控制裝置，利用其高速脈沖輸出功能或運(yùn)動(dòng)控制功能，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，且能夠完成較精確的位置控制。

一、控制原理

步進(jìn)電機(jī)兩個(gè)相鄰磁極之間有一個(gè)夾角如圖1。線圈繞過(guò)相對(duì)的兩個(gè)磁極，構(gòu)成一相（如A-A，B-B，C-C）。磁極上有若干個(gè)均勻分布的矩形小齒，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，而有更多個(gè)小齒均勻分布在其圓周上，且相鄰兩個(gè)齒之間有更小的夾角。當(dāng)某組繞組通電時(shí)，相應(yīng)的兩個(gè)磁極就分別形成N-S極，產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。如果這時(shí)定子的小齒與轉(zhuǎn)子沒(méi)有對(duì)齊，則在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊，從而使步進(jìn)電機(jī)向前“走”一步。PLC按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動(dòng)方向則與脈沖的順序有關(guān)。

二、PLC直接控制

利用PLC控制步進(jìn)電機(jī)，現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，PLC作為廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的控制器，它的功能越來(lái)越強(qiáng)，性能越來(lái)越先進(jìn)。為了配合步進(jìn)電機(jī)的控制，許多PLC都內(nèi)置了脈沖輸出功能，并設(shè)置了相應(yīng)的控制指令，可以很好地對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行直接控制，如圖2。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：大大減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量，不存在各部分接口信號(hào)的匹配問(wèn)題，提高系統(tǒng)的可靠性。整個(gè)控制系統(tǒng)由PLC和步進(jìn)電機(jī)組成其脈沖分配可以由軟件實(shí)現(xiàn)，也可由硬件組成。

圖1

圖2

三、PLC的軟件邏輯控制

以PLC控制步進(jìn)電機(jī)在機(jī)械系統(tǒng)中的應(yīng)用為實(shí)例，說(shuō)明其軟件控制過(guò)程。如圖3所示：

一般機(jī)床自動(dòng)線中的數(shù)控滑臺(tái)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)伺服機(jī)構(gòu)。采用PLC控制的數(shù)控滑臺(tái)由PLC、環(huán)行脈沖分配器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)和伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成，見(jiàn)圖3所示。

圖3

欲控制滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)即控制步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖總數(shù)和脈沖頻率，在控制軟件上只要設(shè)置一個(gè)脈沖總數(shù)和脈沖頻率可控的脈沖信號(hào)發(fā)生器。由于工作臺(tái)的移動(dòng)速度較慢，可以利用PLC中的定時(shí)器進(jìn)行低頻脈沖控制。可編制程序如下：

脈沖頻率可以通過(guò)定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)控制脈沖周期，脈沖總數(shù)控制則可以設(shè)置一脈沖計(jì)數(shù)器C10。當(dāng)脈沖數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，計(jì)數(shù)器C10動(dòng)作切斷脈沖發(fā)生器回路，使其停止工作。伺服機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)無(wú)脈沖輸入時(shí)便停止運(yùn)轉(zhuǎn)，伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位。當(dāng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移速度要求較高時(shí)，可以用PLC中的高速脈沖發(fā)生器。PLC其高速脈沖的頻率可達(dá)4000～6000Hz。

四、結(jié)論

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用PLC控制通電脈沖，硬件接線簡(jiǎn)單，程序編制也很容易?？煞奖愕貙?shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度和位置進(jìn)行控制，可靠地實(shí)現(xiàn)各種步進(jìn)電機(jī)的操作，完成各種復(fù)雜的工作。