基于PLC及反饋電路的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)改造

王曉瑜

(1.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710055；2.西安外事學(xué)院工學(xué)院，陜西西安 710077)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度 (稱為“步距角”)運(yùn)行。脈沖個(gè)數(shù)與控制角位移量成正比，以此實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位;脈沖頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，以此實(shí)現(xiàn)調(diào)速。步進(jìn)電機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低和無積累誤差的特點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。但當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大時(shí)，易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，必須加入反饋電路組成高性能的閉環(huán)控制系統(tǒng)。文中采用增量型編碼器作為位置反饋器件對步進(jìn)電機(jī)實(shí)行閉環(huán)控制改造，使其控制性能更為可靠。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

由圖1可知，PLC的高速輸出脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后送往步進(jìn)電機(jī)，控制其工作;步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)編碼器同軸旋轉(zhuǎn)，由編碼器檢測轉(zhuǎn)角度，以脈沖的形式反饋到PLC的高速計(jì)數(shù)器;PLC根據(jù)脈沖反饋當(dāng)量值與預(yù)定脈沖值進(jìn)行比較，發(fā)出相應(yīng)脈沖控制指令，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置的閉環(huán)控制［1-2］。

步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分由PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、編碼器和步進(jìn)電機(jī)組成。軟件部分由程序流程框圖、主程序和子程序組成［4］。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC的選型［4］和I/O地址分配。

根據(jù)控制功能需求，該系統(tǒng)所需的I/O點(diǎn)數(shù)為8點(diǎn)開關(guān)量輸入、3點(diǎn)開關(guān)量輸出，綜合考慮，選擇西門子S7-200系列CPU224XPCN DC/DC/DC。I/O地址分配見表 1 和表 2［4］。

表1 輸入信號(hào)地址分配表

表2 輸出信號(hào)地址分配表

PLC端子接線圖見圖2。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選型

該控制系統(tǒng)選用雷賽M415B步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。其供電電壓為24 V DC，光隔離信號(hào)輸入，具有1～64細(xì)分可選細(xì)分精度和電機(jī)噪聲優(yōu)化功能。該驅(qū)動(dòng)器按照PLC發(fā)來的高速脈沖/方向指令 (每個(gè)脈沖將使電機(jī)移動(dòng)一個(gè)基本步距角1.80°)，對電機(jī)線圈電流進(jìn)行控制，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)軸的位置和速度［2-3］。

2.3 編碼器的選型

該控制系統(tǒng)選用奧圖尼克斯的E40S6-100-3-2-24增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。其供電電壓為24 V DC，為A、B、Z三線制NPN型輸出。該編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，將旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示旋轉(zhuǎn)角度的大?。?-3］。

2.4 步進(jìn)電機(jī)的選型

該控制系統(tǒng)選用雷賽110HS12兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)的傳動(dòng)方式為兩相四拍工作方式 (A—AB—B—BA)，步距角為1.80°。

3 硬件系統(tǒng)接線圖

硬件系統(tǒng)接線圖如圖2所示［4］。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 硬件系統(tǒng)接線圖

軟件部分由程序流程框圖、主程序MAIN、初始化子程序SBR-0、包絡(luò)表子程序PTOSBR1和中斷程序PTOINT組成。程序流程框圖見圖3。

開始→首次選擇步進(jìn)電機(jī)→正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)啟動(dòng)→移位寄存器賦初值→任選加速、恒速、減速中一個(gè)速度→發(fā)生移位脈沖→執(zhí)行移位→移位輸出控制步進(jìn)電機(jī)→四拍計(jì)數(shù)到→移位寄存器賦初值→四拍計(jì)數(shù)未到→繼續(xù)執(zhí)行。

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)要求，結(jié)合PLC的I/O地址分配，編制梯形圖，共有四部分。

圖3 程序流程圖

程序設(shè)計(jì)中，主程序MAIN為PTO輸出的三段脈沖管線方式，作用是復(fù)位高速輸出，調(diào)用初始化子程序SBR-0;初始化子程序SBR-0作用是將包絡(luò)表的起始變量裝入包絡(luò)表的首地址，同時(shí)調(diào)用包絡(luò)表子程序PTOSBR1，當(dāng)高速輸出完成時(shí)，調(diào)用中斷程序PTOINT，完成脈沖輸出。

5 結(jié)束語

采用基于PLC及反饋電路的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可得到比開環(huán)控制更高的運(yùn)行速度，更穩(wěn)定、更光滑的轉(zhuǎn)速?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)特性好、適應(yīng)性強(qiáng)、速度快、精度高、性能穩(wěn)定。采用編碼器作為位置反饋，既能使步進(jìn)電機(jī)達(dá)到伺服電機(jī)的高速度和高精度效果，又能降低成本，在各種車床、切割機(jī)、雕刻機(jī)等數(shù)控場合有較高的實(shí)用價(jià)值。

［1］秦常貴.基于PLC的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)及調(diào)速控制［J］.煤礦機(jī)械，2011，32(8):186-187.

［2］張前毅.一種提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定位精度的方法［J］.工礦自動(dòng)化，2010，34(4):120-122.

［3］高琴，劉淑聰，彭宏偉.步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34(1):150-152.

［4］西門子公司S7-200系列PLC軟、硬件手冊［M］，2003.