PLC控制三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

1、1 任務(wù)分析1.1分析控制對(duì)象三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)（脈沖頻率）成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電相序，便可控制步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)具有較好的控制性能，其啟動(dòng)、停車、反轉(zhuǎn)及其它任何運(yùn)行方式改變，都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，且可獲得較高的控制精度，因而得到了廣泛的應(yīng)用。1.2三相步進(jìn)電機(jī)的控制要求 三相的控制要求如下： 能對(duì)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制； 可實(shí)現(xiàn)對(duì)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制； 能對(duì)三相

2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步數(shù)進(jìn)行控制；2 方案設(shè)計(jì)在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種控制中，其控制主要有開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)控制。方案一：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)圖2.1 開(kāi)環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)沒(méi)有使用位置、速度檢測(cè)裝置及反饋裝置，因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、可靠性高、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。另外，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)受控于脈沖量，它比直流電機(jī)或交流電機(jī)組成的開(kāi)環(huán)精度高，適用于精度要求不太高的機(jī)電一體化伺服傳動(dòng)系統(tǒng)。方案二：半閉環(huán)控制系統(tǒng)圖2.2 半閉環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖半閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)試比較方便，并且具有很好的穩(wěn)定性，不過(guò)精度不太高，較少使用。方案

3、三：閉環(huán)控制系統(tǒng)圖2.3 閉環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)定位精度高，但調(diào)試和維修都較困難，系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。綜合三種方案，根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，從制造成本與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度考慮，本設(shè)計(jì)采用方案一，在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，用PLC控制三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，永磁性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和單相式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁

4、導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的特點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度，而五相步進(jìn)角一般為0.72度，這種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用也較為廣泛。由于本設(shè)計(jì)用PLC控制三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，故選用36BF02型反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)作為控制對(duì)象，三相步進(jìn)電動(dòng)的步距角為/ 。此電機(jī)有如下特點(diǎn)：1反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。 2反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度在攝氏80-90度。 3反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降 4反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。 此外，步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載

5、情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲? 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理三相反應(yīng)式電動(dòng)機(jī)工作原理:反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞組，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子錯(cuò)開(kāi)0，（相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距，以表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開(kāi)，C與齒3向右錯(cuò)開(kāi)，（與A是同一電極）與齒5相對(duì)齊，圖3-1所示是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)定轉(zhuǎn)子的展開(kāi)圖。圖3-1 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

6、定轉(zhuǎn)子展開(kāi)圖如果A相通電，B、C相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子不受任何力；如果B相通電，A、C相不通電，則齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移動(dòng)，齒3與C偏移，齒4與A偏移；如果C相通電，A、B相不通電，則齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)，齒4與偏移；繼續(xù)進(jìn)行下去，A相通電，B、C相不通電，則齒4與對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向移過(guò)。這樣經(jīng)過(guò)A，B，C，A分別通電狀態(tài)，齒4移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距。如果不斷地按A，B，C，A，通電，電機(jī)就每步，向右旋轉(zhuǎn)。按A，C，B，A，通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。由此可見(jiàn)，電機(jī)的位置和速度由通電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率決定，而方向由通電順序決定。不過(guò)，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)

7、、噪聲及減小角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A這種通電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步改變?yōu)椤Ｒ虼吮驹O(shè)計(jì)采用PLC控制三相六拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度、正反轉(zhuǎn)、以及步數(shù)的控制。5 硬件的設(shè)計(jì)5.1確定I/O點(diǎn)數(shù) PLC的輸入信號(hào)有9個(gè)，包括啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、電機(jī)慢速、中快和快速控制按紐，正反轉(zhuǎn)控制開(kāi)關(guān)，電機(jī)單步、10步和100步按紐開(kāi)關(guān)，以及暫停開(kāi)關(guān)。 PLC的輸出信號(hào)有三個(gè)，即三個(gè)輸出繼電器。 根據(jù)I/O端子的數(shù)量和種類，選擇FX2-32MR PLC機(jī)一臺(tái)。5.1.1畫系統(tǒng)框圖圖5-1 PLC控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)框圖控制面板上的位置按紐控制移動(dòng)的距離，速度按紐控制移動(dòng)的速度，方向按鈕控制移

8、動(dòng)的方向，啟/停按紐控制電機(jī)的啟動(dòng)和暫停。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)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，達(dá)到對(duì)距離、速度、方向控制的目的。5.1.2 I/O分配表表5.1 I/O分配表元 件I/O號(hào)信號(hào)定義元 件I/O號(hào)信號(hào)定義S0X0啟動(dòng)SBX5單步S1X1慢速S6X610步S2X2中速S7X7100步S3X3快速S8X8100000步S4X4正反轉(zhuǎn)S9X10暫停SARUN5.2繪制I/O端子接線圖圖5-2 PLC I/O配置及接線圖5.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路PLC控制步進(jìn)電機(jī)常用的形式有普通型通用PLC控制和PLC專用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊控制等兩

9、種，模塊式控制方式具有控制可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，而通用PLC控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有PLC系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單。工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，易于推廣應(yīng)用。圖5-3所示為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。圖5-3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖5-3中僅為一相的驅(qū)動(dòng)電路。其余三相與之相同在圖5-3中三極管T1起開(kāi)關(guān)作用。當(dāng)三極管截止時(shí)，無(wú)集電極電流流通，開(kāi)關(guān)相當(dāng)于斷開(kāi)；當(dāng)三極管飽和時(shí)，流過(guò)的集電極電流最大。開(kāi)關(guān)相當(dāng)于閉合，該開(kāi)關(guān)“動(dòng)作”可由加于基極的電流來(lái)控制。由T2、T3兩個(gè)三極管組成達(dá)林頓式功放電路，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的3個(gè)繞組使電機(jī)繞組的靜態(tài)電流達(dá)到近2A。電路中使用光電耦合器將控制和驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離。當(dāng)控制輸入信號(hào)為低電平時(shí)，T1截止，輸出高電平，

10、則紅外發(fā)光二極管截止，光敏三極管不導(dǎo)通因此繞組中無(wú)電流流過(guò)；當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，T1飽和導(dǎo)通，于是紅外發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，使光敏三極管導(dǎo)通，向功率驅(qū)動(dòng)級(jí)晶體管提供基極電流使其導(dǎo)通，繞組被通以電流。6 軟件的設(shè)計(jì)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，分慢速、中速和快速三擋，分別通過(guò)開(kāi)關(guān)S1、S2和S3選擇；正、反轉(zhuǎn)控制由開(kāi)關(guān)S4選擇；步數(shù)控制分單步、10步和100步三擋，分別通過(guò)按紐SB、開(kāi)關(guān)S6和S7選擇。6.1 PLC控制步進(jìn)電機(jī)控制方法實(shí)現(xiàn)6.1.1轉(zhuǎn)速控制 由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生不同周期T的控制脈沖，通過(guò)脈沖控制器的選擇，再通過(guò)三相六拍環(huán)形分配器使三個(gè)輸出繼電器Y0、Y1和Y2按照單雙六拍的通電方式接通，

11、其接通順序?yàn)椋涸撨^(guò)程對(duì)應(yīng)于三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電順序是：選擇不同的脈沖同期T，可以獲得不同頻率的控制脈沖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。6.1.2正反轉(zhuǎn)控制 步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制可通過(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，三相六拍步進(jìn)電機(jī)通電順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CA-A時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A順序通電時(shí)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)形分配器的輸出順序，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)。即通過(guò)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)（調(diào)換相序），改變Y0、Y1和Y2接通的順序，以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。正轉(zhuǎn)： 反轉(zhuǎn)：6.1.3

12、步數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)每輸入一個(gè)電脈沖就前進(jìn)一步，其輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比。因此可以根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量確定PLC輸出的脈沖個(gè)數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)控制。 式中為步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量（mm），d為機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）。 本設(shè)計(jì)通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)器，控制六拍時(shí)序脈沖數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步數(shù)的控制。6.2設(shè)計(jì)梯形圖PLC控制三相六拍步進(jìn)電機(jī)的梯形圖如圖6-1所示 圖6-1 三相六拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的梯形圖6.2.1轉(zhuǎn)速控制過(guò)程1、選擇慢速（接通S1），接通啟動(dòng)開(kāi)關(guān)S0，脈沖控制器產(chǎn)生同期為1s的控制脈沖，使M0至M5狀態(tài)隨脈沖向右移動(dòng)，產(chǎn)生六拍時(shí)序脈沖，并通過(guò)三相六拍環(huán)形分配器使Y

13、0、Y1和Y2按照單雙六拍的通電方式接通，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始慢速步進(jìn)運(yùn)行。2、選擇中速（接通S2），接通啟動(dòng)開(kāi)關(guān)S0，脈沖控制器產(chǎn)生同期為0.5s的控制脈沖，使M0至M5狀態(tài)隨脈沖向右移動(dòng)，產(chǎn)生六拍時(shí)序脈沖，并通過(guò)三相環(huán)形分配器使Y0、Y1和Y2按照單雙六拍的通電方式接通，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始中速步進(jìn)運(yùn)行。3、選擇快速（接通S3），接通啟動(dòng)開(kāi)關(guān)S0，脈沖控制器產(chǎn)生同期為0.2s的控制脈沖，使M0至M5狀態(tài)隨脈沖向右移動(dòng)，產(chǎn)生六拍時(shí)序脈沖，并通過(guò)三相環(huán)形分配器使Y0、Y1和Y2按照單雙六拍的通電方式接通，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始快速步進(jìn)運(yùn)行。6.2.2正反轉(zhuǎn)控制過(guò)程 先接通正、反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)S4，再重復(fù)上述轉(zhuǎn)速控制操作。6.2

14、.3步數(shù)控制過(guò)程選擇慢速（接通S1），選擇10步（接通S6），接通啟動(dòng)開(kāi)關(guān)S0，六拍時(shí)序脈沖及三拍六拍環(huán)形分配器開(kāi)始工作，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)走完預(yù)定步數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)器動(dòng)作，其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)移位驅(qū)動(dòng)電路，六拍時(shí)序脈沖、三相六拍環(huán)形分配器及正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)停止工作，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。選擇快速（接通S3），選擇100步（接通S7），接通啟動(dòng)開(kāi)關(guān)S0，六拍時(shí)序脈沖及三拍六拍環(huán)形分配器開(kāi)始工作，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)走完預(yù)定步數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)器動(dòng)作，其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)移位驅(qū)動(dòng)電路，六拍時(shí)序脈沖、三相六拍環(huán)形分配器及正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)停止工作，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。6.3調(diào)試運(yùn)行程序?qū)D6-1轉(zhuǎn)換成表6.1的程序，將該程序?qū)懭隤LC的RA

15、M，并調(diào)試運(yùn)行該程序。表6.1 PLC控制三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)程序0 LDI T0 1 OUT TO K104 LDI T15 OUT T1 K58 LDT T29 OUT T2 K212 LD X00513 PLS M1115 LD X00116 OR X00317 ANI T418 OUT T3 K121 LD T322 AND X00323 OUT T4 K126 LD T427 OUT T2 K230 LD X00131 ORI T332 AND T033 LD T334 AND T135 ORB 36 LD T437 AND T238 ORB39 OR M1140 OUT M2041 LD

16、 X00042 ANI M143 ANI M244 ANI M345 ANI M446 ANI M547 OUT M1048 LD M2049 ANI X01050 ANI C051 ANI C152 ANI C353 SFTR M10 M0 K6 K162 LD M563 OR M064 OR M165 OUT M10066 LD M167 OR M268 OR M369 OUT M10170 LD M371 OR M472 OR M573 OUT M10274 LD XOO475 AND M10076 LDI X00477 AND M10178 ORB79 OUT Y00080 LD X0

17、0481 AND M10182 LDI X00483 AND M10084 ORB85 OUT Y00186 LD M10287 OUT Y00288 LD X00689 AND M2090 OUT C0 K1093 LDI X00698 OUT C1 K100101 LD X007102 RST C1104 LD X011105 AND M20106 OUT M30107 LD M30108 OUT C2 K500111 LD C2112 RST C2114 LD C2115 AND M20116 OUT C3 K200119 LDI X011120 RST C3122 END 結(jié) 論P(yáng)LC

18、控制三相六拍步進(jìn)電機(jī)的方法簡(jiǎn)單易行，可靠性高。由于采用了PLC控制步進(jìn)電機(jī)技術(shù)，所以改變控制參數(shù)相當(dāng)方便， 只需改變PLC程序中相應(yīng)部分即可。對(duì)任何相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)都可以使用，在設(shè)計(jì)方法上簡(jiǎn)單易行減少占用PLC的I/O口，與PLC接口時(shí)比較方便，這樣在PLC控制步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中不僅減少了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量、大大縮短開(kāi)發(fā)研制周期和節(jié)約了開(kāi)發(fā)費(fèi)用而且提高了控制系統(tǒng)的柔性和可靠性，具有較高的推廣和實(shí)用價(jià)值。參 考 文 獻(xiàn)1 吳麗主編.電氣控制與PLC實(shí)用教程.鄭州：黃河水利出版社，2005.22 高欽和編著.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計(jì)實(shí)例.北京：人民郵電出版社，2004.73 齊占慶主編.機(jī)床電氣控制技術(shù).3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19