基于PLC 的步進電動機單雙軸運動控制的實現(xiàn)

　　摘  要:詳細討論步進電機的工作原理及特性和基于PLC 的運動控制技術，著重闡述了PLC 實現(xiàn)步進電機的單雙軸運動控制的方法，并通過實測證明系統(tǒng)運行結果具有可靠性、可行性、有效性。

　　1 引言

　　步進電機由于具有轉子慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點，已成為運動控制領域的主要執(zhí)行元件之一。步進電機是機電一體化的關鍵產(chǎn)品，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)和機電一體化設備中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個行業(yè)的控制領域都將有廣泛應用。PLC 作為一種工業(yè)控制計算機，具有模塊化結構、配置靈活、高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、PLC 對步進電機也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運動控制功能，即可實現(xiàn)對步進電機的控制。

　　對于那些在運行過程中移動距離和速度均確定的具體設備，采用PLC 通過驅動器來控制步進電機的運轉是一種理想的技術方案。本例介紹PLC 控制步進電機的方法。

　　2 工作原理及特性

　　步進電動機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的執(zhí)行機構。由于受脈沖的控制，其轉子的角位移量和速度嚴格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，通過控制脈沖數(shù)量來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的；通過改變通電順序，從而達到改變電機旋轉方向的目的。步進電機的種類很多，按結構可以分為反應式、永磁式及混合式步進電機三類，按相數(shù)分則可以分為單相、兩相和多相三種。

　　2.1 步進電機的特點

　?。?）步進電機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比，電機運轉一周后沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。

　?。?）由步進電機與驅動器電路組成的開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非常可靠。同時，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）步進電機的動態(tài)響應快，易于啟停、正反轉及變速。

　?。?）速度可在相當寬的范圍內平滑調節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉矩。

　　（5）步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。

　　2.2 控制原則

　　步進電機能響應而不失步的最高步進頻率稱為“啟動頻率”；與此類似，“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號突然關斷，步進電機不沖過目標位置的最高步進頻率。而電機的啟動頻率、停止頻率和輸出轉矩都要和負載的轉動慣量相適應。有了這些數(shù)據(jù)，就能有效地對步進電機進行變速控制。

　　采用PLC 控制步進電機，應根據(jù)下式計算系統(tǒng)的脈沖當量、脈沖頻率上限和最大脈沖數(shù)量，進而選擇PLC 及其相應的功能模塊。根據(jù)脈沖頻率可以確定PLC 高速脈沖輸出時需要的頻率，根據(jù)脈沖數(shù)量可以確定PLC 的位寬。脈沖當量=（步進電機步距角×螺距）/（360×傳動速比）；脈沖頻率上限=（移動速度×步進電機細分數(shù)）/脈沖當量；最大脈沖數(shù)量=（移動距離×步進電機細分數(shù)）/脈沖當量。

　　3 PLC 實現(xiàn)步進電機單雙軸運動的控制

　　3.1 控制坐標系的建立

　　PLC 對步進電機的控制首先要確立坐標系，可以設為相對坐標系，也可以設為絕對坐標系。坐標系的設置在DM6629 字中，00—03 位對應脈沖輸出0，04—07 位對應脈沖輸出1。設置為0時，為相對坐標系；設置為1 時，為絕對坐標系。

　　3.1.1 對于不帶加減速的單相脈沖輸出

　　當PLC 控制坐標系設定為相對坐標系時，可以從端口0 和端口1 以增量的形式輸出脈沖，輸出脈沖的計數(shù)值，對于端口0記錄在SR229、SR228 通道，對于端口1 記錄在SR231、SR230 通道中。

　　如設輸出脈沖數(shù)為00000100 時從端口輸出100 個脈沖，脈沖計數(shù)值從0 計到100，之后還可以繼續(xù)從該端口輸出脈沖，即可以增量輸出脈沖。每次輸出脈沖時，脈沖計數(shù)值從0 開始重新計數(shù)，計滿設定值為止。

　　當設為絕對坐標系時，輸出脈沖數(shù)可以設置為正數(shù)，如00000100（相當于電機正向轉動100 步），也可以設置為負數(shù)，如80000100（最高位為“1”表示負數(shù)，相當于電機反向轉動100 步）。但由于是單相脈沖輸出，須另外加方向控制信號，可以用01002等輸出端做方向信號輸出。

　　在絕對坐標系中，坐標值記錄在SR229、SR228 通道（端口0）和SR231、SR230 通道中（端口1）。每次輸出脈沖數(shù)是脈沖設置值和當前坐標值的差，如當前坐標值為0，設置輸出值為00000100，輸出100 個脈沖（正向輸出信號有效），再設置輸出值為00000100，不再輸出脈沖，再設置輸出值為80000100，再輸出200 個脈沖（反向輸出信號有效），坐標值由00000100 變?yōu)?0000100。

　　3.1.2 對于帶加減速的兩相脈沖輸出

　　當設置為相對坐標系時，也可以實現(xiàn)增量脈沖輸出。由于兩相脈沖輸出可以直接控制電機正反向，所以脈沖輸出值可以設置為正數(shù)，也可以設置為負數(shù)，輸出脈沖的計數(shù)值記錄在SR229、SR228 通道（端口0）中。如設置輸出脈沖數(shù)為00000100，電機正向運轉100 步，脈沖計數(shù)值從00000000 計到00000100，再設置輸出脈沖數(shù)為80000100，電機反向運轉100 步，脈沖計數(shù)值從80000000 計到80000100。

　　當設置為絕對坐標系時，坐標值記錄在SR229、SR228 通道（端口0）中，坐標變化情況類似于單相脈沖輸出，但正／反向脈沖輸出或脈沖十方向輸出由01000 和01001 兩個端口配合完成。

　　3.2 單軸運行控制

　　帶加減速的單軸正反轉控制，帶加減速單軸正反轉運控制的控制接線及時序，如圖1，圖2 所示。圖1 中用兩相脈沖輸出CW／CCW 方式進行控制。

　　用兩相脈沖輸出CW/CCW 方式進行控制，PLC 的控制程序，如圖3 所示，梯形圖中設定參數(shù)有：

　　DM0010 值為0001，對應加減速率為10HZ/10ms

　　DM0011 值為0050，對應目標頻率為500HZ

　　DM0012 值為0020，對應啟動頻率為200HZ

　　3.3 雙軸運行控制

　　3.3.1 帶正反向的二軸運動控制

　　雙軸運動控制使用一臺PLC 控制兩個驅動器，驅動兩個步進電動機的運動。帶正反向二軸運動控制的接線，如圖4 所示。

　　PLC 的控制程序，如圖5 所示，梯形圖中01002 和01003 為ON 時電機順時針轉動，為OFF 時電機逆時針轉動。

　　3.3.2 不帶正反向的二軸運動控制

　　不帶正反向的雙軸運動控制的接線的接線圖，當有脈沖輸出時，電機逆時針轉動。這種方式和方式1 的差別就是不用01002和01003 作方向控制，如圖6 所示。

　　4 結論

　　通過PLC 來實現(xiàn)步進電機的單雙軸運動控制的設計，從而達到了PLC 在步進電動控制中應用更加廣泛。例如，在對單雙軸運動的控制過程中，在控制面板上設定移動距離、速度和方向等參數(shù)。PLC 讀入這些設定值后，通過運算產(chǎn)生脈沖、方向信號，控制步進電動機驅動，達到對距離、速度、方向控制的目的。并通過實測證明系統(tǒng)運行結果具有可靠性、可行性、有效性。

參考文獻:

[1]. PLC  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PLC+_1248813.html.
[2]. SR230  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/SR230+_621477.html.
[3]. CCW  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/CCW+_1864843.html.