摘 要：步進(jìn)電機(jī)是一種基于脈沖控制的電氣元件。文章介紹了西門(mén)子S7-200在步進(jìn)電機(jī)控制方面的應(yīng)用。另外，該控制系統(tǒng)還具有人機(jī)對(duì)話功能和較高的性能價(jià)格比。 關(guān)鍵詞：PLC 脈沖控制 人機(jī)對(duì)話 步進(jìn)電機(jī)

The control of step motor based on PLC

Abstract: The step motor is one kind of electrical element basing on the pulse control. The paper introduced the application of Simens S7-200 controlling the step motor . Moreover, this control system has the man-machine conversation function and higher performance price ratio. Key words: PLC Pulse control Man-machine conversation Step Motor 0.前言 　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位移只取決于脈沖的頻率和脈沖的個(gè)數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。即給電機(jī)加上一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)積累誤差的特點(diǎn)。使步進(jìn)電機(jī)可以對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行精確控制。在速度、位置等控制領(lǐng)域使用步進(jìn)電機(jī)最為理想。伴隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文將介紹一種基于PLC脈沖的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。 1. 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 　　步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主要由人機(jī)界面、PLC控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)組成。 [align=center] 圖1[/align] 　　由于步進(jìn)電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特性決定了它要實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)必須有加速過(guò)程。如果啟動(dòng)時(shí)突然加載高頻脈沖，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生嘯叫、失步、甚至不能啟動(dòng)。在停止階段也是這樣的，當(dāng)高頻突降到零時(shí)，電機(jī)也會(huì)產(chǎn)生嘯叫和振動(dòng)。所以在加速和停止時(shí)，都必須有一個(gè)加速和減速階段[1]。在本文中 ，具體為：首先控制步進(jìn)電機(jī)，使之穩(wěn)步啟動(dòng)，然后高速運(yùn)動(dòng)（電機(jī)正常工作時(shí)的速度），到達(dá)指定位置，減速之后低速運(yùn)行一段時(shí)間，然后停止。后退過(guò)程同與前進(jìn)過(guò)程相同，電機(jī)工作過(guò)程如圖2所示： [align=center] 圖2[/align] 2. 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 　　根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示：主要包括主程序，子程序。 　　主程序完成的主要功能有：在通電開(kāi)始，先將輸出口初始化置零，設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)向，調(diào)用子程序完成步進(jìn)電機(jī)的前進(jìn)和后退控制，電機(jī)的啟動(dòng)和停止控制。 　　子程序主要完成高速脈沖串輸出的參數(shù)及網(wǎng)絡(luò)表的設(shè)置。 [align=center] 圖3[/align] 　　步進(jìn)電機(jī)采用自動(dòng)升降的方式，即步進(jìn)電機(jī)先在低頻下啟動(dòng)，然后逐漸升至運(yùn)行頻率。當(dāng)電機(jī)停止時(shí)，先將脈沖信號(hào)的頻率降至啟動(dòng)頻率以下，在停止輸出脈沖。步進(jìn)電機(jī)才能不失步地停止。步進(jìn)電機(jī)在小于極限啟動(dòng)頻率下正常啟動(dòng)后，控制脈沖在緩慢升高即可正常運(yùn)行[3]。電機(jī)脈沖特性如圖4 [align=center] 圖4[/align] 3. 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器 　　步進(jìn)電機(jī)是該系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的精度影響整個(gè)系統(tǒng)的控制精度。選用電機(jī)時(shí)應(yīng)滿足系統(tǒng)的功能要求。同時(shí)根據(jù)電機(jī)參數(shù)計(jì)算所選PLC的脈沖輸出頻率是否滿足步進(jìn)電機(jī)的要求。 　　控制系統(tǒng)中PLC用來(lái)產(chǎn)生控制脈沖;通過(guò)PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量;同時(shí)通過(guò)編程控制脈沖頻率——既伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度;環(huán)行脈沖分配器將可編程控制器輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。采用硬件環(huán)行分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省占用PLC的I/O口點(diǎn)數(shù)，目前市場(chǎng)有多種專用芯片可以選用。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)器將PLC輸出的控制脈沖放大到幾十～上百伏特、幾安～十幾安的驅(qū)動(dòng)能力。一般PLC的輸出接口具有一定的驅(qū)動(dòng)能力，而通常的晶體管直流輸出接口的負(fù)載能力僅為十幾～幾十伏特、幾十～幾百毫安。但對(duì)于功率步進(jìn)電機(jī)則要求幾十～上百伏特、幾安～十幾安的驅(qū)動(dòng)能力，因此應(yīng)該采用驅(qū)動(dòng)器對(duì)輸出脈沖進(jìn)行放大。進(jìn)給方向控制即步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向可以通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)各繞組的通電順序來(lái)改變其轉(zhuǎn)向;如三相步進(jìn)電機(jī)通電順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CA-A…時(shí)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A…順序通電時(shí)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。因此可以通過(guò)PLC輸出的方向控制信號(hào)改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序來(lái)實(shí)現(xiàn)，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)[4]。 　　由步進(jìn)電機(jī)的工作原理和特性可知步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的控制脈沖個(gè)數(shù);因此可以根據(jù)伺服機(jī)構(gòu)的位移量確定PLC輸出的脈沖個(gè)數(shù)： 　　 （1） 　　式中 D[sub]l[/sub]——伺服機(jī)構(gòu)的位移量（mm）; 　　d——伺服機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量（mm/脈沖） 　　伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度取決于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率;因此可以根據(jù)該工序要求的進(jìn)給速度,確定其PLC輸出的脈沖頻率: 　　 （2） 　　式中 V[sub]f[/sub]——伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度（mm/min） 4. 人機(jī)界面 　　利用s7-200的PPI的通訊協(xié)議，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[2]。由PC機(jī)發(fā)出控制命令對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)的控制。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，利用軟件程序，將脈沖頻率轉(zhuǎn)化為速度、脈沖個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)化為距離發(fā)送到PC機(jī)上并顯示出來(lái)，進(jìn)行速度、位移的監(jiān)視。 5. 結(jié)束語(yǔ) 　　將PLC控制的開(kāi)環(huán)伺服機(jī)構(gòu)用于某大型生產(chǎn)線的數(shù)控滑臺(tái)，其脈沖當(dāng)量為0.01～0.05mm,進(jìn)給速度為V[sub]f[/sub]=3～15m/min,完全滿足工藝要求和加工精度要求[4]。證明將PLC脈沖控制步進(jìn)電機(jī)技術(shù)應(yīng)用于中、小功率牽引設(shè)備中，具有控制簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、成本低等特點(diǎn)，是一種切實(shí)可行的電氣控制方案。如果在系統(tǒng)中加上保護(hù)電路及防干擾措施，還可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 戴金燦.西門(mén)子s7-200系列PLC應(yīng)用于開(kāi)發(fā)[M].中國(guó)水利水電出版社.2007年. 　　[2] 鄧星鐘.機(jī)電傳動(dòng)控制（第四版） [M].華中科技大學(xué)出版社.2007年. 　　[3] E20001-H5400-C400-V2-5D00.s7-200中文系統(tǒng)手冊(cè).2002年. H31—H36­­ 　　[4] 管麗娜、邵強(qiáng).步進(jìn)電機(jī)的PLC直接控制 [J].大連民族學(xué)院學(xué)報(bào). 2004年01期.45-47