王 迪，黃海龍，荊 銘，杜佳舒趙云宇，劉曉東

（遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州121001）

步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)是“PLC控制技術(shù)”、“機(jī)電一體化”、“電動(dòng)機(jī)控制”等課程的主要實(shí)驗(yàn)之一，本文針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置的不足，研制了一套基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置主要由PLC、觸摸屏、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、滾珠絲杠、滑塊、直線(xiàn)導(dǎo)軌和位移傳感器等組成，可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)步進(jìn)電機(jī)的速度，位置的控制方法，還可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)PLC對(duì)模擬量輸入信號(hào)和模擬量輸出信號(hào)的處理方法。該實(shí)驗(yàn)裝置可以應(yīng)用于“PLC控制技術(shù)”等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還可應(yīng)用于機(jī)電專(zhuān)業(yè)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)、機(jī)電專(zhuān)業(yè)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等。

1 實(shí)驗(yàn)裝置的功能

該實(shí)驗(yàn)裝置主要基于PLC和觸摸屏，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，主要功能有：

（1）實(shí)驗(yàn)裝置可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)步進(jìn)電機(jī)的速度，位置的控制方法；

（2）實(shí)驗(yàn)裝置可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)PLC對(duì)模擬量輸入信號(hào)的處理方法；

（3）實(shí)驗(yàn)裝置可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)PLC對(duì)模擬量輸出信號(hào)的處理方法；

（4）實(shí)驗(yàn)裝置可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)PLC的邏輯控制方法和數(shù)據(jù)處理方法；

（5）實(shí)驗(yàn)裝置可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)觸摸屏的編程方法。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)

該實(shí)驗(yàn)裝置的主要特點(diǎn)有：

（1）實(shí)用性：實(shí)驗(yàn)裝置可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)步進(jìn)電機(jī)的速度、位置的控制方法；PLC對(duì)模擬量輸入信號(hào)的處理方法；PLC對(duì)模擬量輸出信號(hào)的處理方法；PLC的邏輯控制方法和數(shù)據(jù)處理方法；觸摸屏的編程方法等。

（2）簡(jiǎn)單易操作性：實(shí)驗(yàn)裝置的程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔優(yōu)化，對(duì)于有PLC和觸摸屏基礎(chǔ)的學(xué)生，2到3個(gè)學(xué)時(shí)就能夠掌握步進(jìn)電機(jī)的速度、位置的控制方法；PLC對(duì)模擬量輸入信號(hào)的處理方法和PLC對(duì)模擬量輸出信號(hào)的處理方法。

（3）開(kāi)放性：實(shí)驗(yàn)裝置的程序是開(kāi)源的，學(xué)生可以在原有程序的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)功能更多、更高的新程序。

（4）安全性：實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)電源部分進(jìn)行了特殊處理，可以有效地保護(hù)學(xué)生的安全。

3 實(shí)驗(yàn)裝置的組成

該實(shí)驗(yàn)裝置主要包括PLC、觸摸屏、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、滾珠絲杠、滑塊、直線(xiàn)導(dǎo)軌、位移傳感器、24V開(kāi)關(guān)電源。觸摸屏用于設(shè)置和顯示；PLC通過(guò)Q0.0輸出不同周期和個(gè)數(shù)的脈沖給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)PLC輸出的脈沖進(jìn)行細(xì)分和功率放大以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與絲杠聯(lián)接，絲杠-螺母副把步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菽负突瑝K的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；整個(gè)裝置處于正向控制時(shí)，位移傳感器用于檢測(cè)滑塊的位置，整個(gè)裝置處于反向控制時(shí)，位移傳感器為PLC提供輸入信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，從而控制滑塊跟蹤位移傳感器的位置；24V開(kāi)關(guān)電源為觸摸屏、PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供電源，位移傳感器的電源由PLC的傳感器電源提供。主要部件的型號(hào)如表1所示，步進(jìn)電機(jī)電機(jī)的固有步距角為1.8°，滾珠絲杠的行程為200 mm，導(dǎo)程為2 mm，位移傳感器的行程為250 mm，輸出為0～5 V.

表1 實(shí)驗(yàn)裝置的主要部件的型號(hào)

4 實(shí)驗(yàn)裝置的制作

（1）觸摸屏界面的設(shè)計(jì)

使用臺(tái)達(dá)DOP-A系列觸摸屏的編譯軟件Screen Editor設(shè)計(jì)觸摸屏的界面，觸摸屏的界面主要有開(kāi)機(jī)界面，步進(jìn)電機(jī)的速度、位置控制界面，PLC對(duì)模擬量輸入信號(hào)的處理界面和PLC對(duì)模擬量輸出信號(hào)的處理界面，四個(gè)界面如1所示。

圖1 觸摸屏界面

（2）PLC程序的設(shè)計(jì)

使用西門(mén)子S7-200系列PLC的編譯軟件STEP 7 MicroWIN編寫(xiě)PLC的程序，PLC程序的主要代碼如下 ：LD SM0.0；MOVW VW110，AQW0；LD SM0.0；MOVW AIW0， VW210；AENO；/I+32， VW210；AENO；=Q0.0；LD SM0.0；MOVW VW210，VW220；*I+5，VW220；LD SM0.0；R Q0.0，1；LD SM0.0；MOVW VW30，SMW68；LD M1.4；EU；S Q0.2，1；LD M1.3；EU；R Q0.2，1；LD M1.3；O M1.4；OW ＞=VW1600，6000；EU；MOWB 16#85， SMB67；MOVD VD10，SMD72；PLS.

5 實(shí)驗(yàn)裝置的樣機(jī)及其測(cè)試

實(shí)驗(yàn)裝置的樣機(jī)如圖2所示，實(shí)驗(yàn)裝置的主要部件固定在一個(gè)平板機(jī)架上，分四層排列，最上面一排是步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、絲杠-螺母副、滑塊；第二排是位移傳感器；第三排是24 V開(kāi)關(guān)電源、PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；最下面一排是觸摸屏。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物圖

對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，首先進(jìn)行正向測(cè)試，即在觸摸屏上設(shè)置PTO的周期和個(gè)數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，用傳感器檢測(cè)滑塊的實(shí)際位置，對(duì)比實(shí)際位置和計(jì)算位置，得到實(shí)驗(yàn)裝置正向運(yùn)行的準(zhǔn)確率，測(cè)試時(shí)，SMB67設(shè)置為16#85，即PTO的單位為μs，正向測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。再對(duì)樣機(jī)進(jìn)行反向測(cè)試，即手動(dòng)改變傳感器的位置，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，用觸摸屏監(jiān)測(cè)PTO的實(shí)際個(gè)數(shù)，對(duì)比實(shí)際個(gè)數(shù)和計(jì)算個(gè)數(shù)，得到實(shí)驗(yàn)裝置反向運(yùn)行的準(zhǔn)確率，反向測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 實(shí)驗(yàn)裝置的正向測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 實(shí)驗(yàn)裝置的反向測(cè)試數(shù)據(jù)

由表2可知，當(dāng)PTO的周期設(shè)置為10時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置的準(zhǔn)確率在99.40%-99.50%之間，當(dāng)PTO的周期設(shè)置為1000時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置的準(zhǔn)確率在99.50%-99.60%之間，PTO的周期為1000時(shí)的準(zhǔn)確率高于PTO的周期為10時(shí)的準(zhǔn)確率；由表3可知，實(shí)驗(yàn)裝置的反向準(zhǔn)確率在99.10%-99.40%之間，低于實(shí)驗(yàn)裝置的正向準(zhǔn)確率。

6 結(jié)束語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)裝置具有較強(qiáng)的實(shí)用性、簡(jiǎn)單易操作性、開(kāi)放性和安全性，該實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，達(dá)到了良好的教學(xué)效果，受到學(xué)生的好評(píng)。

該實(shí)驗(yàn)裝置還存在一些不足之處，有待進(jìn)一步修改和完善。

（1）實(shí)驗(yàn)裝置還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制功能，有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和完善，有了閉環(huán)控制功能，該實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用會(huì)更廣泛，可以應(yīng)用于“機(jī)械控制理論”等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)：

（2）實(shí)驗(yàn)裝置在美觀(guān)性上有待完善。