1242步進(jìn)電動機(jī)的PLC控制設(shè)計(jì)

1、步進(jìn)電動機(jī)的plc控制 徐俊杰（武夷學(xué)院 電子工程系，福建 南平 353000） 摘 要：著重對步進(jìn)電動機(jī)的plc控制系統(tǒng)作了研究。步進(jìn)電動機(jī)的拍數(shù)控制采用步進(jìn)指令，分別實(shí)現(xiàn)單三拍、雙三拍、六拍控制的獨(dú)立模塊，按照指令執(zhí)行相應(yīng)的模塊即可。正反轉(zhuǎn)控制是用一個輸出繼電器實(shí)現(xiàn)輸出脈沖順序的控制。速度的控制就是對輸出脈沖時間的控制，本設(shè)計(jì)用時間繼電器指令、數(shù)據(jù)加減1指令、數(shù)據(jù)比較指令、位數(shù)據(jù)傳輸指令等實(shí)現(xiàn)了它的控制。采用plc控制步進(jìn)電動機(jī)可以用很低的成本實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜的控制方案，而且由于plc編程的靈活性，使修改控制方案成為輕而易舉的事情，只要重新編程序即可。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī) 可編程序控制器 單三拍 雙

2、三拍 六拍 步進(jìn)電動機(jī)的plc控制1 緒論 可編程序控制器簡稱為plc，它出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，隨著plc的迅速發(fā)展，它的性能越來越高，價格越來越便宜。因此就有可能比較普遍地應(yīng)用plc來控制各類電機(jī)，完成各種新穎的、高性能的控制策略使電機(jī)的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機(jī)的性能更符合使用要求，還可以制造出各種便于控制的新型電機(jī)，使電機(jī)出現(xiàn)新的面貌。2 步進(jìn)電動機(jī)的plc控制 2.1 步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)原理 典型的步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)，如圖1所示：步進(jìn)控制器功率放大器步進(jìn)電機(jī)負(fù)載 脈沖 圖1 步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)的組成步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)主要是由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電動機(jī)組成。步進(jìn)電動機(jī)控

3、制器是由緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正、反轉(zhuǎn)控制門等組成。它的作用就是能把輸入的脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)型脈沖，以便控制步進(jìn)電機(jī)，并能進(jìn)行正反向控制。功率放大器的作用就是把控制器輸出的環(huán)型脈沖加以放大，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。在這種控制方式中，由于步進(jìn)控制器線路復(fù)雜，成本高，因而限制了它的應(yīng)用。但是，如果采用plc控制系統(tǒng)，有軟件代替上述步進(jìn)控制器，則問題將大大簡化。這不僅簡化了線路，降低了成本，而且可靠性也大為提高，更可以根據(jù)系統(tǒng)的需要，靈活改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案，使用起來很方便。典型的plc控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)原理圖，如圖2所示： 圖2 用plc控制步進(jìn)電動機(jī)原理系統(tǒng)圖2與圖1相比，主要區(qū)別在于用plc

4、代替了步進(jìn)控制器。因此，plc機(jī)的主要作用就是把并行二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實(shí)現(xiàn)方向控制。每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)脈沖輸入線上得到一個脈沖，它便沿著轉(zhuǎn)向控制線信號所確定的方向走一步。只要負(fù)載是在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍之內(nèi)，那么，每個脈沖將使電機(jī)轉(zhuǎn)動一個固定的步距角度，根據(jù)步距角的大小及實(shí)際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進(jìn)電機(jī)的最終位置。 2.2 方向控制常用的步進(jìn)電機(jī)有三相、四相、五相、六相四種，其旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序有關(guān)。下邊以三相步進(jìn)電機(jī)為例進(jìn)行闡述。三相步進(jìn)電機(jī)有三種工作方式：2.2.1 單三拍，通電順序?yàn)閍bcab；2.2.2 雙三拍，通電順序?yàn)閍bbccaab；2.2.3 三相

5、六拍，通電順序?yàn)閍abbbcccaa；如果按上述三種通電方式和通電順序進(jìn)行通電，則步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動。反之，如果通電方向與上述順序相反，則步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動。例如在單三拍中反相的通電順序?yàn)閍cba，其他兩種方式以此類推。 2.3 步進(jìn)電動機(jī)的加減速控制 對于步進(jìn)電動機(jī)的點(diǎn)-位控制系統(tǒng)，從起點(diǎn)至終點(diǎn)的運(yùn)行速度都有一定要求。如果要求運(yùn)行的速度小于系統(tǒng)的極限起動頻率，則系統(tǒng)可以以要求的速度直接起動，運(yùn)行至終點(diǎn)后可立即停發(fā)脈沖串而令其停止。系統(tǒng)在本步的運(yùn)行過程中，速度可認(rèn)為是恒定的。但在一般情況下，系統(tǒng)的極限起動頻率是比較低的，而要求的運(yùn)行速度往往較高。如果系統(tǒng)以要求的速度直接起動，因?yàn)樵撍俣纫殉^極限起

6、動頻率而不能正常起動可能發(fā)生丟步或根本不運(yùn)行的情況。系統(tǒng)運(yùn)行起來之后，如果到達(dá)終點(diǎn)時立即停發(fā)脈沖串，令其立即停止則因?yàn)橄到y(tǒng)的慣性原因，會發(fā)生沖過終點(diǎn)的現(xiàn)象，使點(diǎn)-位控制發(fā)生偏差。因此，在點(diǎn)-位控制過程中，運(yùn)行速度都需要有一個加速-恒速-低恒速-停止的過程，如圖3所示： 圖3 加減速控制圖對于非常短的距離，如在數(shù)步范圍內(nèi)，電動機(jī)的加減速過程沒有實(shí)際意義，只要按起動頻率運(yùn)行即可。在稍長距離時，電動機(jī)可能只有加減速過程而沒有恒速過程。對于中等或較長的運(yùn)行距離，電動機(jī)加速后必須有一個恒速過程。各種系統(tǒng)在工作過程中，都要求加減速過程時間盡量短，而恒速的時間盡量長。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點(diǎn)至終

7、點(diǎn)運(yùn)行的時間要求最短，這就必須要求升速減速的過程最短而恒速時的速度最高。升速時的起始速度應(yīng)等于或略小于系統(tǒng)的極限起動頻率（速度），而不是從零開始。減速過程結(jié)束時的速度一般應(yīng)等于或略低于起動速度，在經(jīng)步數(shù)低速運(yùn)行后停止。升速的選擇是按照直線規(guī)律升速，按直線規(guī)律升速時加速度為恒定，因此要求電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可基本認(rèn)為恒定。用plc對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上就是改變輸出cp脈沖的時間間隔，升速時使脈沖串逐漸加密減速時使脈沖串逐漸稀疏。plc用定時器中斷方式來控制電動機(jī)變速時，實(shí)際上是不斷改變定時器轉(zhuǎn)載值的大小。3.功率放大電路圖4功率放大電路圖4.軟件設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：判斷旋

8、轉(zhuǎn)方向；按控制要求傳送控制脈沖。 因此，步進(jìn)電機(jī)控制程序就是完成環(huán)形分配器的任務(wù)，從而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。首先要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)方向的判別，然后要進(jìn)行拍數(shù)的判別,最后轉(zhuǎn)到相應(yīng)的控制程序。正反向控制程序分別按要求的控制順序輸出相應(yīng)的控制模型，再加上脈寬延時程序即可。其程序流程圖5下：圖5步進(jìn)電機(jī)程序流程圖4.1 方向控制4.1.1 梯形圖如見69，142-154步指令。4.1.2 梯形圖講解 此程序塊的功能僅是進(jìn)行對輸出脈沖順序的控制，正相是y1-y2-y3依次接通即a相-b相-c相，反向是y3-y2-y1依次接通即c相-b相-a相。4.1.3主要指令的分析4.2 工作方式控制4.2.1 梯形圖如見57-

9、65，73-137步指令。4.2.2 梯形圖講解此程序塊的功能用步進(jìn)指令實(shí)現(xiàn)拍數(shù)模塊程序的選擇而各模塊用移位指令sr實(shí)現(xiàn)依次接通功能，ra、rb、rc分別控制單三拍、雙三拍、六拍的移位接通，并用r12、r23、r35限制 sr的移位脈沖個數(shù)，并接通r7實(shí)現(xiàn)觸發(fā)脈沖作用。用r8控制移位停止。4.2.3 主要指令分析4.2.4 sr左移寄存器指令指令功能：相當(dāng)于一個串行輸入移位寄存器。移位寄存器必須按數(shù)據(jù)輸入、移位脈沖輸入、復(fù)位輸入和sr指令的順序編程。數(shù)據(jù)在移位脈沖輸入的上升沿逐位向高位移位一次，最高位溢出，當(dāng)復(fù)位信號輸入到來時，參與移位的內(nèi)容全部復(fù)位（變?yōu)椤?”）。該指令的功能只能為內(nèi)部字繼電

10、器wr的16位數(shù)據(jù)基移一位。4.2.5 步進(jìn)指令nstl : 若該指令的觸發(fā)信號接通。則每次掃描均執(zhí)行nstl斤維。開始執(zhí)行步進(jìn)過程（掃描執(zhí)行方式），并將包括該指令本身在內(nèi)的整個步進(jìn)過程復(fù)位。sstp : 表示進(jìn)入步進(jìn)程序。nstp : 當(dāng)檢測到該觸發(fā)信號的上升沿時，執(zhí)行nstp指令。即開始執(zhí)行步進(jìn)過程（脈沖執(zhí)行方式），并將包括該指令本身在內(nèi)的整個步進(jìn)過程復(fù)位。stpe : 關(guān)閉步進(jìn)程序區(qū)，并返回一般梯形圖程序。4.2.6 內(nèi)部繼電器指令 r9013 : 第一掃描周期閉合。4.2.7 各指令的操作數(shù)指令操作數(shù)繼 電 器定時器/計(jì)數(shù)器寄存器索引寄存器常數(shù)索引修正值wxwywrsvevdtixiy

11、khsrn/an/aan/an/an/an/an/an/an/an/atmrn/an/an/aan/an/an/an/aan/an/a注：可用，n/a：不可用。以下各表都采用該符號表示，以后不再說明。4.3步進(jìn)電動機(jī)的加減速控制4.3.1 梯形圖如見69 156-212步指令。4.3.2 梯形圖講解此程序塊的功能是進(jìn)行對sr移位時間的控制，用f0（mv）指令來對定時器進(jìn)行數(shù)值的初始化，f37(-1)指令來實(shí)現(xiàn)升速的控制而f35(+1) 指令來實(shí)現(xiàn)減速的控制，比較指令f60（cmp）用來速度是否達(dá)到規(guī)定值，時間繼電器t1控制停止緩沖時間。4.3.3 主要指令的分析f0（mv）16位數(shù)據(jù)傳輸指令指

12、令功能: 將16位（bit）數(shù)據(jù)從一個16位（bit）區(qū)傳送到另一個16 位區(qū)。指令梯形圖觸發(fā)信號f35（+1）16位數(shù)據(jù)加1指令指令功能當(dāng)觸發(fā)信號接通時，由d指定的16位數(shù)據(jù)加1，結(jié)果存儲在d中觸發(fā)信號接通d（原始數(shù)據(jù)）+1d（結(jié)果）如果計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)溢出（特殊內(nèi)部繼電器r9009接通），可使用f36（d+1）指令（32位數(shù)據(jù)加1）。 s ds16位常數(shù)或存放常數(shù)的16位區(qū)(源區(qū)) d16位區(qū)(目的區(qū)) 指令梯形圖 觸發(fā)信號 dd16位數(shù)據(jù)遞加1f60（cmp）16位數(shù)據(jù)比較指令指令功能: 當(dāng)觸發(fā)信號接通時，將“s1”指令的16位數(shù)據(jù)與“s2”指定的16位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，比較的結(jié)果存儲在特殊繼電

13、器r9009、r900ar900ck ,如果使用特殊繼電器r9010(常on)來作f60（cmp）指令的觸發(fā)信號時，則比較結(jié)果前的觸發(fā)信號r9010可省略。指令梯形圖觸發(fā)信號 s1 s2 確保使用與f60(cmp)的觸發(fā)信號相同的觸發(fā)信號 s1被比較的16位常數(shù)或傣族數(shù)據(jù)的16位區(qū)r900a標(biāo)志當(dāng)s1s2時瞬間接通s2被比較的16位常數(shù)或存放數(shù)據(jù)的16位區(qū)r900b標(biāo)志當(dāng)s1s2時瞬間接通r900c標(biāo)志當(dāng)s1s2時瞬間4.4各指令的操作數(shù)指令操作數(shù)繼 電 器定時器/計(jì)數(shù)器寄存器索引寄存器常數(shù)索引修正值wxwywrsvevdtixiykhtmrn/an/an/aan/an/an/an/aan/a

14、n/af0saaaaaaaaaaadn/aaaaaaaan/an/aaf35dn/aaaaaaaan/an/aaf60s1aaaaaaaaaaas2aaaaaaaaaaaf37dn/aaaaaaaan/an/aa4.4.1 i/o分配 輸入: x0:開始準(zhǔn)備(k1) x1:單三拍(k2) x2:雙三拍(k3) x3:六拍(k4) x4:反轉(zhuǎn)(k5) x5:停止(k6)輸出: y0: 開始準(zhǔn)備(l1) y1:a相 y2:b相 y3:c相 y4:反轉(zhuǎn)(l2)4.4.2 硬接線圖6 lc硬接線圖 ( 注：k5，k6為帶自鎖開關(guān)。)4.4.3 梯形圖 =5 總結(jié)通過上面的一系列的學(xué)習(xí)和認(rèn)識，步進(jìn)電動機(jī)

15、能直接接受數(shù)字量的輸入，所以特別適合plc控制。經(jīng)過學(xué)習(xí)掌握步進(jìn)電動機(jī)和可編程控制器技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用，使本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電動機(jī)的控制過程。在這個控制過程中，能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)的拍數(shù)和方向的控制，更能顯示出可編程控制器是將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)融為一體，具有可靠性高、功能強(qiáng)、應(yīng)用靈活、使用方便等的一系列優(yōu)點(diǎn)。而可編程控制器是專門為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，可執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作。他還具有豐富的輸入/輸出接口和較強(qiáng)的驅(qū)動能力。而在實(shí)際運(yùn)用時，其硬件需要根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件則需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。參考文獻(xiàn)：1、常斗南，李全利 ，張學(xué)武 編著。 可編程序控制器原理、應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)m 北京：機(jī)械工業(yè)出版社1998年7月2、李乃夫編著 。 可編程序控制器原理、應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)m 北京：中國輕工業(yè)出版社1998年1月3、何衍慶，戴自祥，俞金壽編著 。 可編程序控制器原理及應(yīng)用技巧m 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 1998年8月4、俞雷聲,方宗達(dá)編著 。電氣控制與plc應(yīng)用m 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 1998年10月5、易傳祿,韓希光編著。可編程序控制器應(yīng)用指南m 上海：上海