根據(jù)PLC的步進(jìn)電機(jī)完成單雙軸運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)

引言

步進(jìn)電機(jī)由于具有轉(zhuǎn)子慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，已成為運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的主要執(zhí)行元件之一。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)和機(jī)電一體化設(shè)備中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)行業(yè)的控制領(lǐng)域都將有廣泛應(yīng)用。PLC 作為一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活、高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、PLC 對(duì)步進(jìn)電機(jī)也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運(yùn)動(dòng)控制功能，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

對(duì)于那些在運(yùn)行過(guò)程中移動(dòng)距離和速度均確定的具體設(shè)備，采用PLC 通過(guò)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是一種理想的技術(shù)方案。本例介紹PLC 控制步進(jìn)電機(jī)的方法。

1 工作原理及特性

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于受脈沖的控制，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，通過(guò)控制脈沖數(shù)量來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的；通過(guò)改變通電順序，從而達(dá)到改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的目的。步進(jìn)電機(jī)的種類(lèi)很多，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)三類(lèi)，按相數(shù)分則可以分為單相、兩相和多相三種。

1.1 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)

（1）步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)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）由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非?？煽俊Ｍ瑫r(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)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。

（4）速度可在相當(dāng)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。

（5）步進(jìn)電機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源。

1.2 控制原則

步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率稱(chēng)為“啟動(dòng)頻率”；與此類(lèi)似，“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號(hào)突然關(guān)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)的啟動(dòng)頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相適應(yīng)。有了這些數(shù)據(jù)，就能有效地對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行變速控制。

采用PLC 控制步進(jìn)電機(jī)，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PLC 及其相應(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。脈沖當(dāng)量=（步進(jìn)電機(jī)步距角×螺距）/（360×傳動(dòng)速比）；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。

2 PLC 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)單雙軸運(yùn)動(dòng)的控制

2.1 控制坐標(biāo)系的建立

PLC 對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制首先要確立坐標(biāo)系，可以設(shè)為相對(duì)坐標(biāo)系，也可以設(shè)為絕對(duì)坐標(biāo)系。坐標(biāo)系的設(shè)置在DM6629 字中，00—03 位對(duì)應(yīng)脈沖輸出0，04—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。

2.1.1 對(duì)于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0 和端口1 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0記錄在SR229、SR228 通道，對(duì)于端口1 記錄在SR231、SR230 通道中。

如設(shè)輸出脈沖數(shù)為00000100 時(shí)從端口輸出100 個(gè)脈沖，脈沖計(jì)數(shù)值從0 計(jì)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(shí)，脈沖計(jì)數(shù)值從0 開(kāi)始重新計(jì)數(shù)，計(jì)滿設(shè)定值為止。

當(dāng)設(shè)為絕對(duì)坐標(biāo)系時(shí)，輸出脈沖數(shù)可以設(shè)置為正數(shù)，如00000100（相當(dāng)于電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)100 步），也可以設(shè)置為負(fù)數(shù)，如80000100（最高位為“1”表示負(fù)數(shù)，相當(dāng)于電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)100 步）。但由于是單相脈沖輸出，須另外加方向控制信號(hào)，可以用01002等輸出端做方向信號(hào)輸出。

在絕對(duì)坐標(biāo)系中，坐標(biāo)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(shè)置值和當(dāng)前坐標(biāo)值的差，如當(dāng)前坐標(biāo)值為0，設(shè)置輸出值為00000100，輸出100 個(gè)脈沖（正向輸出信號(hào)有效），再設(shè)置輸出值為00000100，不再輸出脈沖，再設(shè)置輸出值為80000100，再輸出200 個(gè)脈沖（反向輸出信號(hào)有效），坐標(biāo)值由00000100 變?yōu)?0000100。

2.1.2 對(duì)于帶加減速的兩相脈沖輸出

當(dāng)設(shè)置為相對(duì)坐標(biāo)系時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)增量脈沖輸出。由于兩相脈沖輸出可以直接控制電機(jī)正反向，所以脈沖輸出值可以設(shè)置為正數(shù)，也可以設(shè)置為負(fù)數(shù)，輸出脈沖的計(jì)數(shù)值記錄在SR229、SR228 通道（端口0）中。如設(shè)置輸出脈沖數(shù)為00000100，電機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)100 步，脈沖計(jì)數(shù)值從00000000 計(jì)到00000100，再設(shè)置輸出脈沖數(shù)為80000100，電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)100 步，脈沖計(jì)數(shù)值從80000000 計(jì)到80000100。

當(dāng)設(shè)置為絕對(duì)坐標(biāo)系時(shí)，坐標(biāo)值記錄在SR229、SR228 通道（端口0）中，坐標(biāo)變化情況類(lèi)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(gè)端口配合完成。

2.2 單軸運(yùn)行控制

帶加減速的單軸正反轉(zhuǎn)控制，帶加減速單軸正反轉(zhuǎn)運(yùn)控制的控制接線及時(shí)序，如圖1，圖2 所示。圖1 中用兩相脈沖輸出CW／CCW 方式進(jìn)行控制。

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

DM0010 值為0001，對(duì)應(yīng)加減速率為10HZ/10ms

DM0011 值為0050，對(duì)應(yīng)目標(biāo)頻率為500HZ

DM0012 值為0020，對(duì)應(yīng)啟動(dòng)頻率為200HZ

2.3 雙軸運(yùn)行控制

2.3.1 帶正反向的二軸運(yùn)動(dòng)控制

雙軸運(yùn)動(dòng)控制使用一臺(tái)PLC 控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)。帶正反向二軸運(yùn)動(dòng)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(shí)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，為OFF 時(shí)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.3.2 不帶正反向的二軸運(yùn)動(dòng)控制

不帶正反向的雙軸運(yùn)動(dòng)控制的接線的接線圖，當(dāng)有脈沖輸出時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。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。

結(jié)論

通過(guò)PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的單雙軸運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到了PLC 在步進(jìn)電動(dòng)控制中應(yīng)用更加廣泛。例如，在對(duì)單雙軸運(yùn)動(dòng)的控制過(guò)程中，在控制面板上設(shè)定移動(dòng)距離、速度和方向等參數(shù)。PLC 讀入這些設(shè)定值后，通過(guò)運(yùn)算產(chǎn)生脈沖、方向信號(hào)，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，達(dá)到對(duì)距離、速度、方向控制的目的。并通過(guò)實(shí)測(cè)證明系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果具有可靠性、可行性、有效性。