王嵩

(貴州黔元隆安裝工程有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550014)

前言

在棉紡生產(chǎn)中步進(jìn)電機(jī)有著廣泛的使用。為了棉紡產(chǎn)品的質(zhì)量保證,要求步進(jìn)電機(jī)必須迅速、準(zhǔn)確、安全的控制完成任務(wù)。步進(jìn)電機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品，廣泛在各種電一體化設(shè)備和自動(dòng)化控制系統(tǒng)機(jī)中應(yīng)用。PLC作為一種具有模塊化結(jié)構(gòu)、高速的處理速度、配置靈活、PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)也具有良好的控制能力、精確的數(shù)據(jù)處理能力的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。具有可靠性高、編程方式簡(jiǎn)單直觀、功能完善的特點(diǎn)。

1 工作性能及原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制一種的計(jì)算機(jī)，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的線位移或角位移的執(zhí)行要塞。因?yàn)槭艿矫}沖的控制，通過(guò)控制脈沖數(shù)量來(lái)控制角位移量以及其轉(zhuǎn)子的角位移量和速度嚴(yán)格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，從而達(dá)到目標(biāo)準(zhǔn)確定位。控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度主要是通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制的，這樣才能達(dá)到調(diào)速的目的；要想達(dá)到改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的目的，只有通過(guò)改變通電順序來(lái)實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)主要是按結(jié)構(gòu)可以分為反應(yīng)式、永磁式及混合式步進(jìn)電機(jī)來(lái)分類的，也可以按相數(shù)分類，分別為單相、兩相和多相三種。

1.1 步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

（1）步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖數(shù)與角位移嚴(yán)格成正比，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周后沒(méi)有累積誤差，具有良好的跟隨性。

（2）由步驅(qū)動(dòng)器電路與進(jìn)電機(jī)組成的開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，既簡(jiǎn)易、價(jià)廉，可靠。同時(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。

（3）步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，方便啟停、正反轉(zhuǎn)、變速。

（4）速度可與寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩。

1.2 步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)

（1）步進(jìn)電機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能啟用，它不能直接使用直流電源和交流電源。

1.3 步進(jìn)電機(jī)的控制原則

"啟動(dòng)頻率"就是步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率；與其相同，“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號(hào)突然停斷，步進(jìn)電機(jī)不沖過(guò)目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率。而電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)頻率、停止頻率都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相適應(yīng)。有了這些數(shù)據(jù)，就能有效地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行變速。

PLC控制步進(jìn)電機(jī)的使用，應(yīng)根據(jù)下式計(jì)算系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量、脈沖頻率上限和最大脈沖數(shù)量，進(jìn)而選擇與PLC及相應(yīng)的功能模塊。根據(jù)脈沖頻率可以確定PLC高速脈沖輸出時(shí)需要的頻率，根據(jù)脈沖數(shù)量可以確定PLC的位寬。脈沖頻率上限=（移動(dòng)速度×步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)）/脈沖當(dāng)量；最大脈沖數(shù)量=（移動(dòng)距離×步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)）/脈沖當(dāng)量；脈沖當(dāng)量=（步進(jìn)電機(jī)步距角×螺距）/（360×傳動(dòng)速比）。

2 升降速控制

在步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)和停止的時(shí)候往往出現(xiàn)失步和過(guò)沖現(xiàn)象；一般情況下，要求的運(yùn)行速度往往比較高，而系統(tǒng)的極限啟動(dòng)頻率比較低；當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)從起動(dòng)到大于突跳頻率的工作頻率時(shí)，變化速度必須逐漸上升；同樣，高于突跳頻率或最高工作頻率的工作頻率停止時(shí)，變化速度必須逐漸下降，因此，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行一般要經(jīng)過(guò)恒頻、升頻和降頻等過(guò)程。

實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)升降速的方法分三種：

（1）直線升降速控制。這種方法節(jié)省資源、計(jì)算簡(jiǎn)單，但是勻速和升降速不能光滑過(guò)渡，影響系統(tǒng)的運(yùn)行壽命和質(zhì)量，所以此方法適用于要求不高、處理較慢的場(chǎng)合。

（2）指數(shù)升降速控制。這種方法符合步進(jìn)電機(jī)的固有規(guī)律，但是計(jì)算實(shí)現(xiàn)比較麻煩，適用于處理速度要求較高的場(chǎng)合。

（3）S形曲線升降速控制。這種方法根據(jù)實(shí)際升降速過(guò)程采用慢、快、慢的過(guò)程來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，適用于要求較高和平穩(wěn)的場(chǎng)合。

3.步進(jìn)電機(jī)單雙軸運(yùn)動(dòng)的控制的實(shí)現(xiàn)

3.1 控制坐標(biāo)系的建立

確立坐標(biāo)系是PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制的前提，可以設(shè)為相對(duì)和絕對(duì)坐標(biāo)系。坐標(biāo)系的設(shè)置在DM6629字中，脈沖輸出0對(duì)應(yīng)00-03位，04-07位對(duì)應(yīng)脈沖輸出1。設(shè)置為0時(shí)，為相對(duì)坐標(biāo)系；設(shè)置為1時(shí)，為絕對(duì)坐標(biāo)系。

（1）不帶加減速的單相脈沖輸出

當(dāng)PLC控制坐標(biāo)系設(shè)定為相對(duì)坐標(biāo)系時(shí)，可以從端口1和端口0以增量的形式輸出脈沖，輸出脈沖的計(jì)數(shù)值，對(duì)于端口1記錄在SR231、SR230通道中，對(duì)于端口0記錄在SR229、SR228通道。

3.2 控制系統(tǒng)組成

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要采用DM5654A型兩相混合式，控制器采用S7-200 CPU224，功率驅(qū)動(dòng)器采用DMD402，晶體管輸出類型。S7-200CPU224 PLC的指令功能強(qiáng)，可靠性高，指令豐富，內(nèi)置有高速計(jì)數(shù)器、RS485通信、高速輸出、MPI通信協(xié)議等功能，晶體管輸出類型有兩路20kHz的高速脈沖輸出，可以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)得到有效控制。

輸入信號(hào)的脈沖頻率決定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并與頻率同步，要有效控制其轉(zhuǎn)速，改變脈沖信號(hào)的頻率即可。利用CPU224的PTO功能生成指定脈沖數(shù)目的方波脈沖序列。脈沖數(shù)、脈沖寬度或周期裝入相應(yīng)的控制寄存器。改變脈沖周期，就可改變控制頻率，以改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度：改變脈沖數(shù)量，就可改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的角位移。方向信號(hào)由Q0.1輸出，脈沖信號(hào)由Q0.0的輸出脈沖。

PTO功能流水線方式有兩種：第一，單段流水線方式：移動(dòng)距離L較小，要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以恒定低速旋轉(zhuǎn)。第二，多段流水線方式：移動(dòng)距離L較大，要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能加速起動(dòng)、恒速運(yùn)行和減速到起動(dòng)頻率。本控制系統(tǒng)選用單段流水線方式。

結(jié)論

使用 PLC可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的位置和速度進(jìn)行控制，有效操作各種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完成各種復(fù)雜多樣的工作，目前基于PLC的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制已經(jīng)廣泛地在造紙、食品、包裝以及其他輕工機(jī)械中得到應(yīng)用。

[1]王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制［M］.北京：北京航空航天出版社，2002

[2]廖常初.PLC編程及應(yīng)用(第2版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005，10.

[3]宣財(cái)鑫.PLC 脈沖控制步進(jìn)電機(jī)技術(shù)［J］.機(jī)車車輛工藝，2002

[4]高欽和.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計(jì)［J］.北京：人民郵電出版社，2004