[摘要]本文闡述三相步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)與步進(jìn)過程原理，以及對步進(jìn)電動機(jī)的調(diào)速和正反轉(zhuǎn)研究，采用PLC基本邏輯指令和常用指令的方法對步進(jìn)電動機(jī)的調(diào)速和正反轉(zhuǎn)控制，經(jīng)過對步進(jìn)電機(jī)的通電方式和步距角的計算研究，用可編程控制器進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計，可用于數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速控制。

[關(guān)鍵詞]步進(jìn)電機(jī) 調(diào)速 PLC

一、引言

數(shù)控技術(shù)是采用數(shù)字代碼形式的信息，按給定的工作程序、運(yùn)動速度和軌跡，對被控制的對象進(jìn)行自動操作的一種技術(shù)。從數(shù)控機(jī)床最終要完成的任務(wù)看，主要有主軸運(yùn)動。和普通車床一樣，主運(yùn)動主要完成切削任務(wù)，其動力約占整臺機(jī)床動力的70～80%?；臼遣竭M(jìn)電動機(jī)和伺服電機(jī)對主軸的正、反轉(zhuǎn)和停止控制拖動，可自動換檔及無級調(diào)速。通過對步進(jìn)電動機(jī)的調(diào)速和正反轉(zhuǎn)PLC控制的研究，進(jìn)一步提高機(jī)械生產(chǎn)制造的自動化。

二、步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)、步進(jìn)過程原理

1. 步進(jìn)電動機(jī)

步進(jìn)電動機(jī)伺服系統(tǒng)是典型的開環(huán)伺服系統(tǒng)。在這種開環(huán)伺服系統(tǒng)中，執(zhí)行元件是步進(jìn)電動機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)把進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換為機(jī)械角位移，并由傳動絲杠帶動工作臺移動。由于該系統(tǒng)中為位置和速度檢測環(huán)節(jié)，因此它的精度主要由步進(jìn)電動機(jī)的步距角和與之相聯(lián)系的絲杠等傳動機(jī)構(gòu)所決定。步進(jìn)電動機(jī)的最高極限速度通常要比伺服電動機(jī)低，并且在低速時容易產(chǎn)生振動，影響加工精度。但步進(jìn)電動機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)的控制和結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整容易，在速度和精度要求不高的場合具有一定的使用價值。步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分技術(shù)的應(yīng)用，使步進(jìn)電動機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度明顯提高;并且降低了步進(jìn)電動機(jī)低速振動，使步進(jìn)電動機(jī)在中低速場合的開環(huán)伺服系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。

反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子中無繞組，定子繞組勵磁后產(chǎn)生反應(yīng)力矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。這是我國主要發(fā)展的類型，已于上世紀(jì)70年代末形成完整的系列，有比較好的性能指標(biāo)。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)有較高的力矩轉(zhuǎn)動慣量比，步進(jìn)頻率較高，頻率響應(yīng)快，不通電時可以自由轉(zhuǎn)動、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長的特點(diǎn)。

反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理從圖1a中可以看出，在定子上有六個大極，每個極上繞有繞組。每對對稱的大極繞組形成一相控制繞組。這樣形成A、B、C三相繞組。極間夾角為60°。在每個大極上，面向轉(zhuǎn)子的部分分布著多個小齒，這些小齒呈梳狀排列，大小相同，間距相等。轉(zhuǎn)子上均勻分布40個齒，大小和間距與大齒上相同。當(dāng)某相(如A相)上的定子和轉(zhuǎn)子上的小齒由于通電電磁力使之對齊時，另外兩相(B相，C相)上的小齒分別向前或向后產(chǎn)生三分之一齒的錯齒，這種錯齒是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的根本原因。這時如果在A相斷電的同時，另外某一相通電，則電動機(jī)的這個相由于電磁吸力的作用使之對齊，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動機(jī)每走一步，旋轉(zhuǎn)的角度是錯齒的角度。錯齒的角度越小，所產(chǎn)生的步距角越小，步進(jìn)精度越高。現(xiàn)在步進(jìn)電動機(jī)的步距角通常為3°;1.8°;1.5°;0.9°;0.5°到0.09°等。步距角越小，步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。

(a) 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理(b) 步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)過程原理

圖1 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)與步進(jìn)過程原理

2. 步進(jìn)電動機(jī)的有關(guān)術(shù)語:

相數(shù):電動機(jī)定子上有磁極，磁極對數(shù)稱為相數(shù)。如圖1a有6個磁極，則為三相，稱該電動機(jī)為三相步進(jìn)電動機(jī)。10個磁極為五相，稱該電動機(jī)為五相步進(jìn)電動機(jī)。

拍數(shù):電動機(jī)定子繞組每改變一次通電方式稱為一拍。

步距角:轉(zhuǎn)子經(jīng)過一拍轉(zhuǎn)過的空間角度用符號α表示。

齒距角:轉(zhuǎn)子上齒距在空間的角度。如轉(zhuǎn)子上有N個齒，齒距角θ。

3. 步進(jìn)電動機(jī)的通電方式及步距角

(1) 步進(jìn)電動機(jī)的通電方式

步進(jìn)電動機(jī)有單相輪流通電，雙相輪流通電，單雙相輪流通電幾種通電方式。

三相單三拍。我們把對一相繞組一次通電的操作稱為一拍，則對三相繞組A、B、C輪流通電三拍，才使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒，轉(zhuǎn)一齒所需的拍數(shù)為工作拍數(shù)。對A、B、C三相輪流通電一次稱為一個通電周期，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動一個齒距。對于三相步進(jìn)電動機(jī)，如果三拍轉(zhuǎn)過一個齒，稱為三相三拍工作方式。

由于按A→B→C→A相序順序輪流通電，則磁場逆時針旋轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)子也逆時針旋轉(zhuǎn)，反之則順時針轉(zhuǎn)動。

這種通電方式只有一相通電，容易使轉(zhuǎn)子在平衡位置上發(fā)生振蕩，穩(wěn)定性不好。而且在轉(zhuǎn)換時，由于一相斷電時，另一相剛開始通電，易失步(指不能嚴(yán)格地對應(yīng)一個脈沖轉(zhuǎn)一步)，因而不常采用這種通電方式。步距角系數(shù)c=1。

雙相雙三拍。這種通電方式由于兩相同時通電，其通電順序?yàn)锳B→BC→CA→AB，控制電流切換三次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，雙相雙三拍轉(zhuǎn)子受到的感應(yīng)力矩大，靜態(tài)誤差小，定位精度高，而且轉(zhuǎn)換時始終有一相通電，可以使工作穩(wěn)定，不易失步。其步距角和單三拍相同，步距角系數(shù)c=1。

三相六拍。如果我們把單三拍和雙三拍的工作方式結(jié)合起來，就形成六拍工作方式，這時通電次序?yàn)?A→AB→B→BC→C→CA→A。在六拍工作方式中，控制電流切換六次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距角。所以齒距角是單拍工作時的二分之一。每一相是連續(xù)三拍通電(如圖4所示)，這時電流最大，且電磁轉(zhuǎn)矩也最大。且由于通電狀態(tài)數(shù)增加一倍，而使步距角減少一倍。步距角系數(shù)c=2。

(2) 步距角的計算

設(shè)步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)為N，則它的齒距角為

(1)

由于步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行K拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距角，所以每一拍的步距角可以表示為

(2)

式中 K——步進(jìn)電動機(jī)的工作拍數(shù);

N——轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

或 (3)

式中 m—相數(shù)

z—步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

c—步距角系數(shù)

如果按單相對于轉(zhuǎn)子有40齒并且采用三拍工作的步進(jìn)電動機(jī)，其步距角為:=360°/N×K=360°/40×3=3°。或=360°/mzc=360°/40×3×1=3°。

如果按單、雙相通電方式運(yùn)行則三相步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)z=40，步距角系數(shù)c=2，其步距角為:=360°/mzc=360°/40×3×2=1.5°。

三、基于基本邏輯指令和常用指令的步進(jìn)電動機(jī)調(diào)速和正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)

通過研究也能用基本邏輯指令和常用指令能對三相步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制;可實(shí)現(xiàn)對三相步進(jìn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制和步數(shù)進(jìn)行控制。三相步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，分慢速、中速和快速三擋，分別通過開關(guān)S1、S2和S3選擇;正反轉(zhuǎn)控制由開關(guān)S4選擇(X004為ON，正轉(zhuǎn);X004為OFF，反轉(zhuǎn));步數(shù)控制分單步、10步和100步三擋，分別通過按鈕SB1、開關(guān)S6和S7開關(guān)選擇;停止用按鈕SB2控制。

1. 輸入和輸出點(diǎn)分配

對步進(jìn)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速、步數(shù)控制輸入和輸出點(diǎn)分配見表1。

3.2 PLC配置及接線圖

3.3控制程序

三相步進(jìn)電動機(jī)控制程序設(shè)計的梯形圖如圖 6所示。

① 轉(zhuǎn)速控制。由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生不同周期T的控制脈沖，通過脈沖控制器的選擇，再通過三相六拍環(huán)形分配器使三個輸出繼電器Y000、Y001和Y002按照單雙六拍的通電方式接通，其接通順序?yàn)?

該過程對應(yīng)于三相步進(jìn)電動機(jī)的通電順序是:

選擇不同的脈沖周期T，以獲得不同頻率的控制脈沖，從而實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電動機(jī)的調(diào)速。

② 正反轉(zhuǎn)控制。通過正、反轉(zhuǎn)驅(qū)動環(huán)節(jié)(調(diào)換相序)，改變Y000、Y001和Y002接通的順序，以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制。即

正轉(zhuǎn):

反轉(zhuǎn):

③步數(shù)控制。通過脈沖計數(shù)器，控制六拍時序脈沖數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電動機(jī)步數(shù)的控制。

3.4 運(yùn)行與調(diào)試程序

將圖6的梯形圖編寫對應(yīng)的指令程序，并將其寫入PLC的RAM，運(yùn)行調(diào)試程序。

①轉(zhuǎn)速控制。選擇慢速(接通S1)，接通啟動開關(guān)S0。脈沖控制器產(chǎn)生周期為1s的控制脈沖，使M0~M5的狀態(tài)隨脈沖向右移位，產(chǎn)生六拍時序脈沖，并通過三相六拍環(huán)形分配器使Y000、Y001和Y002按照單雙六拍的通電方式接通，步進(jìn)電動機(jī)開始慢速步進(jìn)運(yùn)行。斷開S1、S0;接通S2、S0或S3、S0，觀察步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制運(yùn)行情況。②正反轉(zhuǎn)控制。先接通正、反轉(zhuǎn)開關(guān)S4，再重復(fù)上述轉(zhuǎn)速控制操作，觀察步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行情況。③步數(shù)控制。選擇慢速(接通S1);選擇10步(接通S6);接通啟動開關(guān)S0。六拍時序脈沖及三相六拍環(huán)形分配器開始工作;計數(shù)器開始計數(shù)。當(dāng)走完預(yù)定步數(shù)時，計數(shù)器動作，其常閉觸點(diǎn)斷開移位驅(qū)步進(jìn)電動機(jī)動電路，六拍時序脈沖、三相六拍環(huán)形分配器及正反轉(zhuǎn)驅(qū)動環(huán)節(jié)停止工作。步進(jìn)電動機(jī)停轉(zhuǎn)。在選擇慢速的前提下，再選擇單步或100步重復(fù)上述操作，觀察步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行情況。

四、結(jié)束語

本文介紹的步進(jìn)電動機(jī)的步數(shù)控制、正反轉(zhuǎn)控制、轉(zhuǎn)速控制，用PLC的解碼、編碼指令實(shí)現(xiàn)對控制項目的研究具有較高的性價比，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化控制，也可以進(jìn)行普通車床數(shù)控化改造，人機(jī)界面良好，系統(tǒng)投入運(yùn)行后，抗干擾強(qiáng)，運(yùn)行可靠，維護(hù)量小，可獲得良好效果。

參考文獻(xiàn):

[1]趙俊生主編:《數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)基礎(chǔ)》北京:化學(xué)工業(yè)出版社2006.1

[2]趙俊生主編:《電氣控制與PLC技術(shù)項目化理論與實(shí)訓(xùn)》北京:電子工業(yè)出版社2009.2