基于可編程序控制器的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方法研究與設(shè)計(jì)

黃金磊，趙毅飛，李 巖

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州450000)

0 引 言

電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶來(lái)自動(dòng)化集成控制發(fā)展的越發(fā)迅速［1］。作為運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的一種關(guān)鍵執(zhí)行部件，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因其控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，在各行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用?？删幊绦蚩刂破?以下簡(jiǎn)稱(chēng)PLC)具有的模塊化結(jié)構(gòu)、精確的數(shù)據(jù)處理、控制功能豐富、高性價(jià)比、高可靠性、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代傳統(tǒng)的繼電器控制，成為目前工業(yè)控制中應(yīng)用非常廣泛的一種裝置。

本文采用西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7－200 PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)三相六拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。通過(guò)PLC 的高速脈沖輸出，利用軟件實(shí)現(xiàn)修改高速脈沖頻率的策略來(lái)控制電機(jī)的高、中、低檔三速;并通過(guò)移位指令按照步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作順序來(lái)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。該控制系統(tǒng)的主要技術(shù)要求如下:1)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)起動(dòng);2)運(yùn)行過(guò)程中，不需要停機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)切換;3)電機(jī)的運(yùn)行速度分為高、中、低速三檔，并可以通過(guò)手動(dòng)進(jìn)行變速;4)任意位置停機(jī)后，再次起動(dòng)均從A 相起動(dòng)。

1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的PLC 控制原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移或者角位移的執(zhí)行部件［2］。當(dāng)電機(jī)接收到一個(gè)脈沖時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出軸會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度(步距角)。不改變電機(jī)的電脈沖方向及勵(lì)磁狀態(tài)，電機(jī)軸固定在某一個(gè)位置而保持停止?fàn)顟B(tài)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度與輸入到電機(jī)的脈沖頻率成正比，而其旋轉(zhuǎn)角度的大小正比于單位時(shí)間內(nèi)的電脈沖數(shù)量，三相繞組的導(dǎo)通和關(guān)斷順序決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。所以，在使用PLC 控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向的控制，就必須實(shí)現(xiàn)電機(jī)接收的脈沖數(shù)量、繞組導(dǎo)通順序及脈沖頻率的控制［3］。目前使用廣泛的是兩相和四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其缺點(diǎn)是振動(dòng)和噪聲大;而三相和五相電動(dòng)機(jī)更有優(yōu)勢(shì)，但是五相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比三相電機(jī)復(fù)雜，而三相電機(jī)控制系統(tǒng)具有更高的性價(jià)比。

從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理及工作方式可以看出，要實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制就要產(chǎn)生符合要求的脈沖。通過(guò)控制輸入電機(jī)的脈沖順序，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相繞組供電的依次導(dǎo)通和關(guān)斷，形成交變的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，完成電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此要實(shí)現(xiàn)PLC 控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，PLC 要滿足以下兩個(gè)要求:1)PLC 的輸出具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)，使得PLC 的脈沖輸出信號(hào)頻率可以達(dá)到數(shù)kHz 甚至更高，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，保證電機(jī)具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。2)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)脈沖電壓可以達(dá)到幾十伏、電流幾安培，為了保證控制部分有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，PLC 的輸出要選用大功率晶體管形式［4］。西門(mén)子S7－200 系列PLC 本身具有高速脈沖發(fā)生器和大功率晶體管輸出，可以滿足本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，因此選其作為核心控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制?？刂圃砜驁D如圖1 所示。

圖1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的PLC 直接控制

2 PLC 控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)思路

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 典型的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有多種方案可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)，按照控制體系可以分為以下三種結(jié)構(gòu)［3，8］:

(a)硬件結(jié)構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)由硬件電路脈沖發(fā)生器和硬件脈沖分配器、驅(qū)動(dòng)器三部分組成。這種控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行速度快;缺點(diǎn)也很明顯，電路復(fù)雜，功能簡(jiǎn)單，系統(tǒng)升級(jí)和維護(hù)工作困難。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)控制

(b)軟件結(jié)構(gòu)

如圖4 所示，控制系統(tǒng)由軟件脈沖發(fā)生器和分配器、驅(qū)動(dòng)器組成。由單片機(jī)或者DSP 通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)軟件脈沖發(fā)生器和分配器。采用這種控制結(jié)構(gòu)時(shí)，上位機(jī)一般是通用PC、工控機(jī)、PLC 等。這種控制方案的優(yōu)點(diǎn)是控制電路簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的功能，但是對(duì)控制器的CPU 性能要求較高。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)控制

(c)軟硬件結(jié)構(gòu)

如圖5 所示，該控制系統(tǒng)由軟件脈沖發(fā)生器和硬件脈沖分配器及硬件驅(qū)動(dòng)器組成。通過(guò)脈沖分配芯片實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電換相控制。這種控制系統(tǒng)具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)CPU 的性能要求不高。

圖5 軟硬件結(jié)構(gòu)控制

本文采用的PLC 控制方案屬于軟件結(jié)構(gòu)。由PLC 實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器的功能。通過(guò)PLC 程序?qū)崿F(xiàn)脈沖發(fā)生器和分配器的功能，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。同時(shí)PLC 的輸出直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。

3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)電路

圖6 為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一相驅(qū)動(dòng)電路。另外兩相與該電路相同。該電路的工作原理:當(dāng)控制信號(hào)1PH 為低電平時(shí)，三極管截止，電路輸出高電平，光耦不導(dǎo)通，電機(jī)的三相繞組中無(wú)電流流過(guò);當(dāng)1PH變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，T1 導(dǎo)通，光耦動(dòng)作，向T2，T3 提供電流，使其導(dǎo)通，繞組流過(guò)電流。在驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，為了滿足電機(jī)繞組靜態(tài)時(shí)大約2 A 的電流，由T2，T3 組成達(dá)林頓管，增加其驅(qū)動(dòng)能力［8］。

圖6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.2 PLC 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

西門(mén)子S7－200 具有最大頻率為10 kHz 的高速脈沖發(fā)生器和高速計(jì)數(shù)器，完全滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制要求［6］。系統(tǒng)的控制圖如圖7 所示。

圖7 PLC 直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)

繞組控制程序?qū)崿F(xiàn)以下功能:通過(guò)脈沖分配控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相繞組的通電順序，從而形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使電機(jī)正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)。三相六拍的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作順序?yàn)锳－AB－B－BC－C－CA－A 時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)工作順序?yàn)锳－AC－C－CB－B－BA－A 時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)前進(jìn)一步，繞組控制程序中計(jì)算的步數(shù)減1，當(dāng)六步執(zhí)行完畢，計(jì)數(shù)器為零，停止脈沖分配，等待下一次動(dòng)作的開(kāi)始。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)屬于感性負(fù)載，繞組電阻非常小，為了避免脈沖電流過(guò)大造成損壞，應(yīng)用中需要串聯(lián)限流電阻，以保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的安全。完成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制主要有繞組導(dǎo)通控制和轉(zhuǎn)速控制兩部分，分別接PLC 輸入的I0.0 ～I(xiàn)0.5 和輸出的Q0.1 ～Q0.3［4－5］。如圖8 所示。

圖8 S7－200 PLC I/O 點(diǎn)分配圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 程序流程圖

程序流程圖如圖9 所示。首先，程序進(jìn)行初始化操作，清除寄存器，然后選擇步進(jìn)速度，電機(jī)正反轉(zhuǎn)方向選擇，產(chǎn)生移位脈沖，輸出脈沖控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，計(jì)算六拍計(jì)數(shù)器數(shù)值，進(jìn)行計(jì)數(shù)器判斷，如果計(jì)數(shù)器到，進(jìn)行移位寄存器賦值，否則繼續(xù)運(yùn)行。

圖9 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的程序框圖

4.2 梯形圖程序設(shè)計(jì)

以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制流程圖為依據(jù)，結(jié)合控制的技術(shù)要求，將程序分成四個(gè)子程序進(jìn)行編程:1)高中低三檔速度選擇;2)電機(jī)運(yùn)行命令控制，包括電機(jī)的起動(dòng)和停止及正反轉(zhuǎn)控制;3)移位寄存器賦值計(jì)算處理;4)A/B/C 三相輸出控制。子程序測(cè)試完成后，進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試和完善，達(dá)到最終的控制要求［7］。

實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的不同轉(zhuǎn)速及三相繞組的導(dǎo)通控制所對(duì)應(yīng)的PLC I/O 定義如表1 所示。

表1 I/O 地址對(duì)應(yīng)表

電機(jī)的步進(jìn)控制通過(guò)PLC 的移位指令完成。設(shè)定MW0 為移位器存器，表2 列出了各寄存器的初始值。

表2 MW0 寄存器初始值

三相六拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每前進(jìn)一個(gè)步距角，即前進(jìn)一拍，六拍完成后重新計(jì)數(shù)。根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作要求可以得出電機(jī)的繞組控制邏輯表，如表3所示。

表3 繞組通斷邏輯表

根據(jù)表3 設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的梯形圖程序。部分程序如圖10、圖11 所示。程序編寫(xiě)完成后，編譯無(wú)誤，將程序下載到PLC 中，即可運(yùn)行。

圖10 速度控制程序

圖11 步進(jìn)電機(jī)脈沖計(jì)數(shù)

4.3 程序簡(jiǎn)要說(shuō)明

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低速起動(dòng)時(shí)，按下I0.2 且上升沿觸發(fā)，在低速回路中串入中速信號(hào)I0.1 和高速信號(hào)I0.0 的常閉觸點(diǎn)形成互鎖，然后使用MOVE 指令將100 傳送給移位寄存器VW200。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，按下按鈕I0.3，同時(shí)回路中串入的反轉(zhuǎn)信號(hào)I0.4 的常閉觸點(diǎn)，形成互鎖，保證電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)反轉(zhuǎn)不能起動(dòng)。停止時(shí)，可以隨時(shí)按下按鈕I0.5，電機(jī)在任何位置都會(huì)停止運(yùn)行。為確保正反轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)都可以從A 相起動(dòng)，不產(chǎn)生累積誤差，正反轉(zhuǎn)信號(hào)和計(jì)數(shù)器C0 并聯(lián)將數(shù)值通過(guò)移位指令傳給寄存器MW0，從而控制電機(jī)的步距角。并通過(guò)計(jì)數(shù)器C0 起動(dòng)M3.0。當(dāng)計(jì)數(shù)器C0 計(jì)到6 次時(shí)，復(fù)位計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù)。VW100 的值不一樣，PLC 發(fā)出不同頻率的脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)。M2.0 得電閉合一次，計(jì)數(shù)器就計(jì)數(shù)一次，當(dāng)計(jì)數(shù)到六次的時(shí)候，計(jì)數(shù)器停止動(dòng)作，M3.0 對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位。通過(guò)監(jiān)視MW0 可以判斷PLC 的輸出狀態(tài)和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。中速和高速的控制方式同低速。

4.4 系統(tǒng)的測(cè)試與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證程序的正確性，搭建了如圖12 所示的應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用浙機(jī)科技有限公司生產(chǎn)的110BYG350。將PLC 程序下載到S7－200中，首先將PLC 切換到運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)打開(kāi)軟件的程序狀態(tài)監(jiān)控功能，并在狀態(tài)表中選擇地址VW100，MW0 進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控。為了觀察電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)角度的準(zhǔn)確性，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸端安裝有角度盤(pán)。試驗(yàn)中，當(dāng)分別按下正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)按鈕時(shí)，電機(jī)按照對(duì)應(yīng)的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，在程序中對(duì)高、中、低三檔速度對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸入信號(hào)強(qiáng)制觸發(fā)，電機(jī)分別以對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，且電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)。在任意狀態(tài)下，強(qiáng)制清零信號(hào)有效，電機(jī)立刻停止運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的測(cè)試，證明該方案達(dá)到了設(shè)計(jì)輸入要求，滿足使用要求。

圖12 系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證平臺(tái)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文充分利用S7－200 可編程序控制器具有的高速脈沖輸出功能、方向信號(hào)功能，通過(guò)PLC 程序并與外部硬件相結(jié)合，精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。通過(guò)控制PLC 的數(shù)字量輸出和高速脈沖信號(hào)的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的導(dǎo)通控制和正反轉(zhuǎn)切換。PLC 功能日益強(qiáng)大，可以利用它方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度和位置控制，從而使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)滿足各種復(fù)雜場(chǎng)合工作的需要。該方案體現(xiàn)了自動(dòng)化控制的先進(jìn)水平，促進(jìn)了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展。

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