韓 紅

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基于PLC控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)選擇

韓 紅

(渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島 125005)

采用PLC實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制，通過現(xiàn)場調(diào)試確定幾大關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)：細(xì)分?jǐn)?shù)、動(dòng)態(tài)電流、經(jīng)過計(jì)算而確定的最佳啟動(dòng)頻率、優(yōu)化后的指數(shù)曲線等。為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)研究提供了一定的理論基礎(chǔ)，具有推廣價(jià)值。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 最佳啟動(dòng)頻率 細(xì)分 PLC

0 引言

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件，其輸入的一個(gè)電脈沖即是一步，同時(shí)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，因此通過控制脈沖頻率就可以控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制通電脈沖的順序可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒有位置誤差，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活方便、故障率低，所以被廣泛應(yīng)用到各種機(jī)電產(chǎn)品中。目前步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)主要有單片機(jī)、PLC、DSP等，本文主要是針對PLC控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)場關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定過程進(jìn)行詳細(xì)研究及闡述，具有一定推廣價(jià)值。

1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分及電流參數(shù)確定

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)決定了步距角的大小，若想要有更小的步距角，可以將一步一個(gè)脈沖細(xì)分成多步完成。在每次脈沖切換時(shí)不將繞組電流全部通入或切斷，只改變相應(yīng)繞組額定電流的一部分，電動(dòng)機(jī)就只轉(zhuǎn)過步距角的一部分，細(xì)分后繞組電流由原來的矩形波變成階梯波進(jìn)入和退出[1]，如圖1所示。

圖1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分電流波形

現(xiàn)場通過驅(qū)動(dòng)器上撥碼開關(guān)的通斷來確定細(xì)分?jǐn)?shù)，以雷賽M415B步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器為例，細(xì)分?jǐn)?shù)有7種：整步，半步，4/8/16/32/64細(xì)分。細(xì)分?jǐn)?shù)值越大每轉(zhuǎn)發(fā)的脈沖數(shù)越多，以一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副帶動(dòng)工作臺(tái)左右移動(dòng)機(jī)構(gòu)（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示）為例，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（），其中為脈沖頻率，取10000 Hz，θ為電動(dòng)機(jī)固有步距角取1.8°，為細(xì)分?jǐn)?shù)取16分。代入后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速=3.125PLC發(fā)出脈沖數(shù)為69000個(gè)，16細(xì)分后電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)發(fā)出3200個(gè)脈沖，絲杠導(dǎo)程為4 mm，那么工作臺(tái)移動(dòng)距離為：（69000/3200）×4=86.25 mm。若換成32細(xì)分，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)發(fā)出6400個(gè)脈沖，那么工作臺(tái)移動(dòng)距離為：（69000/6400）×4=43.125 mm。因此，在不同細(xì)分下，若保證工作臺(tái)移動(dòng)距離相同，就必須變化PLC所發(fā)出的脈沖數(shù)。現(xiàn)場調(diào)試時(shí)，細(xì)分?jǐn)?shù)主要根據(jù)脈沖頻率和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速確定。

圖2 PLC控制水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)電流的設(shè)定一般取決于負(fù)載及加速扭矩，細(xì)分后就擬合成正弦曲線，因此有峰值電流和均值電流之分。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的額定電流是一個(gè)近似值，對于兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)輸出均值電流可取額定電流的0.7倍。在保證足夠速度和力矩下，電流可選的略低一些，進(jìn)而延長電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的使用壽命。還是以上述雷賽M415B步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器為例，通過實(shí)驗(yàn)得出7檔輸出電流的運(yùn)行情況，見表1。

表1 不同輸出電流下電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況

從上表中可看出，電動(dòng)機(jī)在帶動(dòng)如圖2中滾珠絲杠副機(jī)構(gòu)時(shí)，過低的兩種電流下，都出現(xiàn)啟動(dòng)異常，而過高的兩種電流也出現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)異常，這四種電流都不適宜選用。此機(jī)構(gòu)中步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為雷賽42J1834-810，額定電流為1 A，那么驅(qū)動(dòng)器輸出均值電流適合選擇：

0.7×1=0.7 A，從上表中可看出0.63 A和0.84 A均可，本著盡量選低電流延長壽命原則，可選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器峰值電流為0.63 A。

2 啟動(dòng)頻率及加減速曲線確定

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從靜止開始啟動(dòng)，需要克服極大的慣性矩，因此啟動(dòng)頻率f盡量低一些。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)那一瞬時(shí)，電脈沖信號(hào)過來，建立起磁場，定子產(chǎn)生磁拉力，拉動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。但定子繞組中有電感，磁場有可能不能瞬時(shí)建立，當(dāng)輸入脈沖頻率過高，而磁場還未建立時(shí)，就拉動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)但電脈沖信號(hào)還未過來，這就是“丟步”現(xiàn)象。所以啟動(dòng)頻率不能太高。那么，最佳啟動(dòng)頻率f如何確定？還是以圖2所示機(jī)構(gòu)為例，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率f=10000 Hz，選擇四組啟動(dòng)頻率分別為：2000 Hz、1000 Hz、500 Hz、250 Hz建立如圖3所示加減速曲線，具體參數(shù)如表2所示。

圖3 四種啟動(dòng)頻率下加減速曲線對比圖

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低頻啟動(dòng)高頻運(yùn)行，不能完成直接啟動(dòng)，一般經(jīng)過啟動(dòng)—加速—恒速—減速—停止的加減速過程。一般的加減速曲線有：梯形曲線、指數(shù)曲線及S型曲線，快速平穩(wěn)起動(dòng)常用前兩種，本例中用到的是第一種梯形曲線。從圖3中看出（a）（b）（c）中加減速區(qū)曲線過陡，容易丟步，只有（d）中，啟動(dòng)頻率f=250 Hz時(shí)，曲線相對合理。最佳啟動(dòng)頻率也可以通過公式精確計(jì)算獲得[3]。

其中，為具有時(shí)間的量綱，取0.002；系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=絲+工，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量絲=1.38×10-5kgm2，工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量工=0.032×10-5kgm2，=1.40×10-5kgm2。負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=0.005 N?m。計(jì)算后得到f=247 Hz。經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)實(shí)驗(yàn)修調(diào)為f=250 Hz。

3 PLC控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)部分程序

圖2實(shí)例中的PLC選擇西門子S7-200[2]，其設(shè)有高速脈沖輸出，輸出頻率可達(dá)100 kHz，一般有脈沖串（PTO）輸出和脈寬調(diào)制（PWM）輸出兩種形式。PTO模式允許多個(gè)脈沖串排隊(duì)輸出形成流水線，流水線分為單段和多段兩種。建立多段流水線包絡(luò)表如表3。

表2 四種啟動(dòng)頻率下參數(shù)表

表3中，初始周期1=1/f=1/250=4000 μs，段1周期增量Δ1=（2-1）/段1輸出脈沖數(shù)=（100-4000）/1300=-3 μs，其它段以此類推。

PLC的CPU中有兩個(gè)PTO/PWM發(fā)生器，一個(gè)分配給輸出端Q0.0，另一個(gè)給Q0.1，可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

根據(jù)表3包絡(luò)表中數(shù)據(jù)編寫PLC梯形圖如圖4所示。

4 結(jié)論

在現(xiàn)場調(diào)試PLC控制的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過滾珠絲杠副帶動(dòng)工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，關(guān)鍵性參數(shù)的確定決定了整套系統(tǒng)的運(yùn)行精度，本文通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)分析及運(yùn)用公式精密計(jì)算代替以往步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇的經(jīng)驗(yàn)估算法，大大提高了步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作效率及精度，不但實(shí)現(xiàn)了快速平穩(wěn)起動(dòng)，而且工作一段時(shí)間均運(yùn)行良好。為此方面的研究及推廣打下良好基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)中現(xiàn)場需確定的關(guān)鍵參數(shù)有：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)16、峰值電流為0.63 A，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最佳啟動(dòng)頻率f=250 Hz、加減速曲線為梯形曲線。

圖4 梯形圖

[1] 張建民. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2007: 107-110.

[2] 王芹, 滕今朝. 可編程控制器技術(shù)及應(yīng)用[M]. 天津: 天津大學(xué)出版社, 2008.

[3] 徐亞茹, 陸靜平. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)快速平穩(wěn)起動(dòng)控制算法研究[J]. 微特電機(jī), 2014,(8): 90-92.

Selection of Operational Parameters of Stepper Motor Based on PLC

Han Hong

(Bohai Ship-building Vocational College, Huludao 125005, Liaoning, China)

PLC is used to control the stepper motor, and several key operating parameters are determined by the field test: subdivision drive, dynamic current, the best starting frequency determined by calculation, the optimized exponential curve, and so on, which provides the basis for the transportation manipulator, obtained great profits.

step-motor; the best starting frequency; subdivision drive; PLC

TM301

A

1003-4862（2016）04-0054-03

2015-12-03

韓紅（1971-），女，副教授。專業(yè)方向：機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用。