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        試論P(yáng)LC步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)

        2012-12-28 14:36:48王嵩
        關(guān)鍵詞:信號(hào)

        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

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