PLC控制步進電機頻率曲線的優(yōu)化

王 華,李亞兵

(1. 商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 商丘 476000； 2.漯河食品職業(yè)學(xué)院 機電系，河南 漯河)

1 系統(tǒng)設(shè)計的目的

PLC編程簡單，功能強大，廣泛地應(yīng)用于數(shù)字化控制的自動控制系統(tǒng)中，在系統(tǒng)中通過PLC的程序運行來控制步進電機. P LC通過運行程序，向步進電機的驅(qū)動器輸出脈沖信號和方向信號, 控制步進電機按照用戶要求工作. 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的機器設(shè)備，它每接收一個脈沖信號就旋轉(zhuǎn)一個固定的電角度, 可以通過控制脈沖數(shù)量來控制角位移量，從而使步進電機達到準(zhǔn)確位置. 因此，步進電機的轉(zhuǎn)速和脈沖頻率之間必定存在著一定關(guān)系,這種關(guān)系通過步進電機的頻率曲線可以直接反應(yīng)出來.

本論文通過小車送料系統(tǒng)進行研究頻率曲線的優(yōu)化方法. 在小車送料系統(tǒng)中通過 PLC 控制步進電機的脈沖數(shù), 既要保證送料小車能準(zhǔn)確到達取料位置取料，又要保證步進電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度高、抖動量小.

頻率曲線的形狀是由脈沖數(shù)和頻率參數(shù)決定的. 通過頻率曲線可以看出電機的運行狀況，為了提高整個控制系統(tǒng)的工作效率，必須設(shè)置好送給驅(qū)動器的信號的脈沖數(shù)及其頻率參數(shù)，如圖1所示為步進電機三段頻率曲線[1]196-200.

圖1 步進電機頻率曲線

圖1充分體現(xiàn)了步進電機啟動加速、勻速運行、減速停車的運動過程, 但是在現(xiàn)場的工業(yè)控制過程中必須考慮機器運行是否平滑、是否有噪聲污染、是否會帶來機械磨損等. 因此，實際運行中只有這三段曲線是不夠的, 具體情況會比較復(fù)雜. 可以根據(jù)實際情況采用7 段、11段甚至更多段曲線對步進電機的頻率曲線進行優(yōu)化，使系統(tǒng)運行更加平滑，來解決由于機器自身原因產(chǎn)生的抖動、噪音大、啟動吃力等不良問題[2]36-38.

2 取料系統(tǒng)中取料小車的優(yōu)化方法

2.1 取料小車工作原理

取料小車系統(tǒng)采用的是西門子S7-200系列PLC控制步進電機工作, 通過該裝置的作用，用一個料杯，把三部分原料從三個位置取過來送至另外一個位置，等待加工. 該系統(tǒng)裝置主要由兩部分組成，一部分為負(fù)責(zé)在水平方向行走的取料小車，另一部分為負(fù)責(zé)在豎直方向行走的機械手. 機械手安裝在小車上由豎直方向的步進電機控制工作，小車由水平方向的步進電機控制工作. 小車運行至料杯處, 機械手托起料杯，小車拖著機械手繼續(xù)行駛至原料指定位置處，取第一種原料、第二原種、第三種原料，然后取料小車再把料杯送到指定地點，原料等待加工[3]60-70.

2.2 實驗數(shù)據(jù)分析及頻率曲線的優(yōu)化

在此主要對水平方向行走控制步進電機的頻率曲線進行分析. 由于三種原料位置不同，取料小車在取料過程中要走的距離也不同，有時需要短距離行走,有時需要長距離行走. 當(dāng)小車短距離行走時速度要慢、要穩(wěn)、啟停要精確，以確保取料定位的精確性和機器的安全性；當(dāng)小車要長距離行走時要快、要穩(wěn)，定位精確，同時要防止設(shè)備抖動、降低噪聲. 因此使用圖1中的三段頻率曲線控制精度和穩(wěn)定度是不能滿足要求的. 步進電機對小車進行驅(qū)動控制時，通過S7-200系列PLC進行編程調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)，而子程序中需要的參數(shù)放在PLC包絡(luò)表中. 頻率曲線的控制參數(shù)包括曲線的段數(shù)、初始周期、脈沖數(shù)、周期增量等,供主程序調(diào)用. 當(dāng)小車需要長距離行走時, 為了使小車運行更加平穩(wěn)，根據(jù)步進電機的工作頻率與步長之間的關(guān)系, 可以將圖1步進頻率曲線經(jīng)過再次劃分，改成七段頻率曲線. 如圖2所示[4]23-42.

圖2 步進電機七段頻率曲線

圖2是將步進電機的特性曲線修改為七段式特性曲線，修改方法是通過修改PLC程序中包絡(luò)表數(shù)據(jù)參數(shù)，包括每段曲線的初始周期、脈沖數(shù)、周期增量. 用周期值(us)/脈沖數(shù)(個) 的方式來標(biāo)注每段曲線的起始位置. 斜率不為零的曲線部分的數(shù)據(jù)代表該段曲線的周期增量, 斜率為零的曲線部分表示步進電機驅(qū)動小車勻速運動，這部分的脈沖數(shù)表示取料小車勻速運動的時間. 用Ta表示每段曲線的初始周期,Tb表示結(jié)束周期，X表示周期增量，P表示脈沖數(shù),則每段曲線的周期及脈沖數(shù)和周期增量之間的數(shù)量關(guān)系如下:

根據(jù)圖2所示，步進電機周期曲線中每段曲線的結(jié)束周期值等于下一段曲線的初始周期值. 因此，由公式(1)計算出下一段曲線的初始周期為:

在圖 2 中, 假如第一段曲線的初始周期為 700, 脈沖數(shù)量為 300, 周期增量為-1, 通過公式(2)可以計算出第二段曲線的初始周期為:

(-1) ×300+ 700= 400

第三段、第四段等曲線的初始周期值按式(1)、(2)依次計算出來. 步進電機啟動加速時間不能太長，啟動加速時間太長, 造成啟動轉(zhuǎn)矩不足導(dǎo)致小車運動不起來;

根據(jù)公式(1)和公式(2)頻率曲線段形成原理，在短距離行駛的時候可以根據(jù)需要設(shè)置3段或者7段行駛，當(dāng)長距離行駛時可以合理設(shè)置脈沖數(shù)和初始周期、設(shè)置成11段、15段速等頻率曲線，使系統(tǒng)更加平穩(wěn)，小車加減速更加平滑，噪音更低[5]233-248.

3 結(jié)語

PLC具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、性價比高、應(yīng)用廣泛的優(yōu)點，廣泛的用來驅(qū)動電機設(shè)備控制步進電機工作. 實踐證明,通過合理的修改頻率曲線的初始周期、脈沖參數(shù)，使步進電機的頻率曲線改為多段式的是可行的. 既可以提高步進電機驅(qū)動設(shè)備的速度，又可以降低噪聲和損耗，使步進電機更好的工作，提高了設(shè)備的運行效率，降低了維修成本. 因此對步進電機頻率曲線進行優(yōu)化是很有益處的, 值得推廣和應(yīng)用.

[1] 羅 妍，李志蜀. PLC控制步進電機頻率曲線優(yōu)化技術(shù)的研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報, 2007(6).

[2] 江華生，李 鳴.基于PLC的步進電機控制技術(shù)[J] . 自動化技術(shù)與應(yīng)用 , 2006(4).

[3] 歐陽楷. 電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度[J] .微特電機, 1981(4) .

[4] 王宜結(jié).步進電機自動加減速運行的研究[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2006(3).

[5] 廖常初. PLC編程及應(yīng)用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,2002.