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1、步進電動機的PLC控制 【摘 要】著重對步進電動機的PLC控制系統(tǒng)作了研究。步進電動機的拍數(shù)控制采用步進指令，分別實現(xiàn)單三拍、雙三拍、六拍控制的獨立模塊，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)傳輸指令等實現(xiàn)了它的控制。采用PLC控制步進電動機可以用很低的成本實現(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】步進電機 可編程序控制器 單三拍 雙三拍 六拍 引言 可

2、編程序控制器簡稱為PLC，它出現(xiàn)于20世紀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，完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機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，使電機出現(xiàn)新的面貌 一、 PLC控制步進電動機的原理 （一）步進電動機控制系統(tǒng)原理 典型的步進電動機控制系統(tǒng)，如圖1-1所示。 脈沖步進控制器 功率放大器 步進電機 負載 圖1-1 步進電動機控制系統(tǒng)的組成 步進電

3、動機控制系統(tǒng)主要是由步進控制器、功率放大器及步進電動機組成。步進電動機控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，以便控制步進電機，并能進行正反向控制。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)動步進電機轉(zhuǎn)動。在這種控制方式中，由于步進控制器線路復(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，靈活改變步進電機的控制方案，使用起來很方便。典型的PLC控制步進電機系統(tǒng)原理圖，如圖4-2所示

4、。 圖1-2 用PLC控制步進電動機原理系統(tǒng) 圖1-2與圖1-1相比，主要區(qū)別在于用PLC代替了步進控制器。因此，PLC機的主要作用就是把并行二進制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實現(xiàn)方向控制。每當步進電機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。只要負載是在步進電機允許的范圍之內(nèi)，那么，每個脈沖將使電機轉(zhuǎn)動一個固定的步距角度，根據(jù)步距角的大小及實際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進電機的最終位置。 （二）方向控制 常用的步進電機有三相、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)。下邊以三相步進電機為例進行闡述。 三相步進電機有三種工作方式：

5、 （1） 單三拍，通電順序為A→B→C→A→B……； （2） 雙三拍，通電順序為AB→BC→CA→AB……； （3） 三相六拍，通電順序為A→AB→B→BC→C→CA→A……； 如果按上述三種通電方式和通電順序進行通電，則步進電機正向轉(zhuǎn)動。反之，如果通電方向與上述順序相反，則步進電機反向轉(zhuǎn)動。例如在單三拍中反相的通電順序為A→C→B→A，其他兩種方式以此類推。 （三）步進電動機的加減速控制 對于步進電動機的點-位控制系統(tǒng)，從起點至終點的運行速度都有一定要求。如果要求運行的速度小于系統(tǒng)的極限起動頻率，則系統(tǒng)可以以要求的速度直接起動，運行至終點后可立即停發(fā)脈沖串而令其停止。系統(tǒng)在本步的

6、運行過程中，速度可認為是恒定的。但在一般情況下，系統(tǒng)的極限起動頻率是比較低的，而要求的運行速度往往較高。如果系統(tǒng)以要求的速度直接起動，因為該速度已超過極限起動頻率而不能正常起動，可能發(fā)生丟步或根本不運行的情況。系統(tǒng)運行起來之后，如果到達終點時立即停發(fā)脈沖串，令其立即停止，則因為系統(tǒng)的慣性原因，會發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象，使點-位控制發(fā)生偏差。因此，在點-位控制過程中，運行速度都需要有一個加速-恒速-低恒速-停止的過程，如圖1－3所示。 圖1－3加減速控制 對于非常短的距離，如在數(shù)步范圍內(nèi)，電動機的加減速過程沒有實際意義，只要按起動頻率運行即可。在稍長距離時，電動機可能只有加減速過程而沒有恒速

7、過程。對于中等或較長的運行距離，電動機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，從起點至終點運行的時間要求最短，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，因此要求電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可基本認為恒定。 用PLC對步進電動機進行加減速控制，實際上就是改變輸出CP脈沖的時間間隔，升速時使脈沖串逐漸加密

8、，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變速時，實際 上是不斷改變定時器轉(zhuǎn)載值的大小。 二、功率放大電路 三、軟件設(shè)計 步進電機程序設(shè)計的主要任務(wù)是： ①判斷旋轉(zhuǎn)方向； ②按控制要求傳送控制脈沖。 因此，步進電機控制程序就是完成環(huán)形分配器的任務(wù)，從而控制步進電機轉(zhuǎn)動。首先要進行旋轉(zhuǎn)方向的判別，然后要進行拍數(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。其程序流程圖如下： 圖3－１程序流程圖 （一）方向控制 1. 梯形圖如見69，142-154步指令。 2. 梯形圖講解

9、 此程序塊的功能僅是進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。 3. 主要指令的分析 （二）工作方式控制 1、梯形圖如見57-65，73-137步指令。 2、梯形圖講解 此程序塊的功能用步進指令實現(xiàn)拍數(shù)模塊程序的選擇而各模塊用移位指令SR實現(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實現(xiàn)觸發(fā)脈沖作用。用R8控制移位停止。 3、主要指令的分析 （1）SR左移寄存器指令 指令功能：相當于一個串行輸入移位寄存器

10、。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)部字繼電器WR的16位數(shù)據(jù)基移一位。　　　　　　 （2）步進指令 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)的整個步進過程復(fù)位。 SSTP : 表示進入步進程序。 NSTP : 當檢測到該觸發(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)的整個步進過程復(fù)

11、位。 STPE : 關(guān)閉步進程序區(qū)，并返回一般梯形圖程序。 (3)內(nèi)部繼電器指令 R9013 : 第一掃描周期閉合。 4、各指令的操作數(shù) 指令 操作數(shù) 繼 電 器 定時器/計數(shù)器 寄存器 索引寄存器 常數(shù) 索引 修正值 WX WY WR SV EV DT IX IY K H SR — N/A N/A A N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A TMR — N/A N/A N/A A N/A N/A N/A N/A A N/A N/A 注：A：可用，N/A：不

12、可用。以下各表都采用該符號表示，以后不再說明。 （三）步進電動機的加減速控制 1、梯形圖如見69 156-212步指令。 2、梯形圖講解 此程序塊的功能是進行對SR移位時間的控制，用F0（MV）指令來對定時器進行數(shù)值的初始化，F(xiàn)37(-1)指令來實現(xiàn)升速的控制而F35(+1) 指令來實現(xiàn)減速的控制，比較指令F60（CMP）用來速度是否達到規(guī)定值，時間繼電器T1控制停止緩沖時間。 3、主要指令的分析 （1）F0（MV）16位數(shù)據(jù)傳輸指令 a、指令功能: 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)。 b、指令梯形圖 觸發(fā)信號 ↓ ↑

13、 ↑ S D S　16位常數(shù)或存放常數(shù)的16位區(qū)(源區(qū)) D　16位區(qū)(目的區(qū)) （2）F35（+1）16位數(shù)據(jù)加1指令 a指令功能 當觸發(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)）+1　　　　　　　　　　　D（結(jié)果） 如果計算結(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）。 b指令梯形圖 觸發(fā)信號 ↓ ↑ D D　16位數(shù)據(jù)遞加1 （2）F60（

14、CMP）16位數(shù)據(jù)比較指令 a指令功能: 當觸發(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)進行比較，比較的結(jié)果存儲在特殊繼電器R9009、R900A－R900Ck ,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。 b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)

15、或傣族數(shù)據(jù)的16位區(qū)　　　R900A?。緲酥尽‘擲1＞S2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　＝標志　當S1＝S2時瞬間接通 R900C?。紭酥尽‘擲1＜S2時瞬間 4、各指令的操作數(shù) 指令 操作數(shù) 繼 電 器 定時器/計數(shù)器 寄存器 索引寄存器 常數(shù) 索引 修正值 WX WY WR SV EV DT IX IY K H TMR — N/A N/A N/A A N/A N/A N/A N/A A N/A N/A F0 S A A A A

16、 A A A A A A A D N/A A A A A A A A N/A N/A A F35 D N/A A A A A A A A N/A N/A A F60 S1 A A A A A A A A A A A S2 A A A A A A A A A A A F37 D N/A A A A A A A A N/A N/A A （四） I/O分配 輸入: X0:開始準備(K1) X1:單三拍(K2)

17、 X2:雙三拍(K3) X3:六拍(K4) X4:反轉(zhuǎn)(K5) X5:停止(K6) 輸出: Y0: 開始準備(L1) Y1:A相 Y2:B相 Y3:C相 Y4:反轉(zhuǎn)(L2) （五） 硬接線 圖6－１PLC硬接線圖 注：K5，K6為帶自鎖開關(guān)。 四、結(jié)束語 通過上面的一系列的學習和認識，步進電動機能直接接受數(shù)字量的輸入，所以特別適合PLC控制。經(jīng)過學習掌握步進電動機和可編程控制器技術(shù)的實踐應(yīng)用，使本設(shè)計能實

18、現(xiàn)對步進電動機的控制過程。在這個控制過程中，能實現(xiàn)步進電動機的拍數(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)與計算機技術(shù)融為一體，具有可靠性高、功能強、應(yīng)用靈活、使用方便等的一系列優(yōu)點。而可編程控制器是專門為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計的，可執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作。他還具有豐富的輸入/輸出接口和較強的驅(qū)動能力。而在實際運用時，其硬件需要根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件則需根據(jù)控制要求進行設(shè)計編制。 附錄Ⅰ：梯形圖

19、 參 考 文 獻 [1]、常斗南，李全利 ，張學武 編著。 可編程序控制器原理、應(yīng)用、實驗[M] 北京：機械工業(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、實驗[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：化學工業(yè)出版社 1998年8月 [4]、俞雷聲,方宗達編著 。電氣控制與PLC應(yīng)用[M] 北京：機械工業(yè)出版社 1998年10月 [5]、易傳祿,韓希光編著?？删幊绦蚩刂破鲬?yīng)用指南[M] 上海：上海科學普及出版社 1993年6月 [6]、黃大雷,吳庚申編著。 可編程序控制器及其應(yīng)用[M]人民交通出版社 1993年1月 [7]、馬洪飛,陳宏鈞 ,劉漢奎編著。電氣自動化英語[M]哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社 1999年7月 [8] 王宗培, 孔昌平, 李楚武編著。 步進電動機及其控制系統(tǒng)[M]. 哈爾濱： 哈爾濱 工業(yè)大學出版社 [9] 劉寶廷, 程樹康編著。 步進電動機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學出版社, 1997. [10] 陳隆昌,閻治安,劉新正編著?？刂齐姍C[M].　西安：西安電子科技大學出版社　2000年5月 10