基于PLC的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制

溫小鄭， 趙振， 郝豆豆， 鄢鑫

（西安郵電大學(xué)，西安 710061）

0 引言

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在非超載情況下，根據(jù)脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和啟停進(jìn)行控制，而不會(huì)根據(jù)負(fù)載的變化而變化。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器檢測到了一個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)候，它能夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按照之前預(yù)定好的偏向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，因而，它會(huì)以一定的角度一步一步運(yùn)轉(zhuǎn)。一般能夠經(jīng)過改變脈沖個(gè)數(shù)來修改角位移的量，從而使其實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的目標(biāo)［2］。

PLC是在繼電器控制和計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ)上研發(fā)出來的，其具有高可靠性和模塊化編程結(jié)構(gòu)，可以廣泛應(yīng)用于小批量高品質(zhì)的工業(yè)控制當(dāng)中，實(shí)質(zhì)上，PLC是具有中央處理單元（CPU）和系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器的，它可以將通訊技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)三者融合，成為一種新型的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，而且針對(duì)PLC的步進(jìn)電機(jī)的控制，將轉(zhuǎn)子、齒輪和電動(dòng)機(jī)體綜合設(shè)計(jì)，形成閉環(huán)系統(tǒng)，使得應(yīng)用PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的穩(wěn)定性、可靠性均會(huì)提高［3］。

1 步進(jìn)電機(jī)分類及特性

目前的市場上，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類有許多，一般按內(nèi)部構(gòu)造分為：1）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，一般以三相居多。2）永磁式步進(jìn)電機(jī)，一般以兩相居多。3）混合式步進(jìn)電機(jī)，它集成了永磁式步進(jìn)電機(jī)和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)各自的優(yōu)點(diǎn)，而混合式步進(jìn)電機(jī)又主要是分為三相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)。本設(shè)計(jì)采用的是四相步進(jìn)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)子和定子均采用硅鋼片或者其他一些軟磁材料制作而成。每個(gè)定子上都有1對(duì)繞組，共形成四相繞組，分別為A、B、C、D四相。本設(shè)計(jì)采用了西門子的S7-200（可編程序邏輯控制器），對(duì)四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過對(duì)梯形圖的設(shè)計(jì)移位脈沖頻率，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的停止、啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)、雙四拍、單四拍及八拍和步數(shù)的控制。本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的四相式步進(jìn)電機(jī)，選用的是單極性直流電源。只要按照相應(yīng)的時(shí)序給步進(jìn)電機(jī)通電，步進(jìn)電機(jī)則正常運(yùn)轉(zhuǎn)。四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖1所示。

圖1 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖

當(dāng)開始啟動(dòng)時(shí)，開關(guān)SB處于導(dǎo)通狀態(tài)，A，C，D三相斷開，B相的磁極與轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒輪對(duì)齊，與此同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1號(hào)和4號(hào)齒輪就和C相和D相繞組磁極發(fā)生錯(cuò)齒，2號(hào)和5號(hào)齒輪就與D相和A相繞組磁極形成錯(cuò)齒。此時(shí)如果開關(guān)SC接通電源，而SD、SA、SB三相處于斷開狀態(tài)時(shí)，由于C相的繞組磁力線跟1號(hào)和4號(hào)之間磁力線的相互作用，致使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，1號(hào)、4號(hào)齒輪和C相繞組的磁極對(duì)齊。但是0號(hào)和3號(hào)齒輪跟A、B相繞組之間會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)齒，而2號(hào)和5號(hào)齒輪就會(huì)跟A相和D相的繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組會(huì)輪流供電，致使轉(zhuǎn)子沿著 A、B、C、D 的方向運(yùn)轉(zhuǎn)。［4］

2 控制步進(jìn)電機(jī)工作方式的選擇

2.1 步進(jìn)電機(jī)的工作方式

1）四相單四拍：…A→B→C→D→A…

2）四相雙四拍：…AB→BC→CD→DA→AB…

3）四相八拍：…A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A…

由于通電順序的不同，可以把步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式分為雙四拍、單四拍和八拍等三種工作方式。而雙四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩要比單四拍的小，但是雙四拍和單四拍工作方式下的步距角是一樣的。而雙四拍和單四拍的步距角是八拍的2倍，所以，在八拍模式下工作要比在四拍模式下速度更快而且精度更高［5］。圖2是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在雙四拍、單四拍和八拍的電源脈沖通電的時(shí)序圖。

圖2 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖

2.2 控制原理

2.2.1 對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)換相順序的控制

通電換向這一過程稱為脈沖分配。如：四相步進(jìn)電機(jī)，在采取八拍的工作模式下，則每個(gè)階段各相的導(dǎo)通順序依次為…A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A…。同樣，四相A、B、C、D的通斷順序也應(yīng)遵照通電脈沖的導(dǎo)通順序，按照順序依次進(jìn)行。

2.2.2 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和工作方式的選擇

當(dāng)改變步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通電順序，則可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。所以假定給定步進(jìn)電機(jī)正序的通電順序，那么步進(jìn)電機(jī)則會(huì)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，假定給定了反序的通電順序，那么步進(jìn)電機(jī)則會(huì)進(jìn)行反向運(yùn)轉(zhuǎn)，如：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)以四相八拍的通電模式…A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A…運(yùn)行時(shí)，電機(jī)則進(jìn)行正向轉(zhuǎn)動(dòng)；而繞組如果以…D→DC→C→CB→B→BA→A→AD…運(yùn)行方式通電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)則進(jìn)行反向運(yùn)轉(zhuǎn)。所以，如果需要改變步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，可以通過改變PLC的通電順序來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)也可以通過編程直接改變步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向，本設(shè)計(jì)對(duì)此未作深入研究。而對(duì)步進(jìn)電機(jī)工作方式的選擇，由圖3，和圖5中網(wǎng)絡(luò)2、3、4決定，通過試驗(yàn)臺(tái)上的控制開關(guān)，可以任意選擇步進(jìn)電機(jī)的工作方式［6］。

2.2.3 步數(shù)控制并測量

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。因此應(yīng)當(dāng)以步進(jìn)電機(jī)確定輸出的位移量為依據(jù)，來獲得PLC所輸出的脈沖個(gè)數(shù)，由此便可以達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行步數(shù)控制的目標(biāo)。n=△L/δ，式中：△L為步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量，mm；δ為機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量，mm/脈沖。本設(shè)計(jì)的步數(shù)控制如圖5，可以改變計(jì)數(shù)器的值，測量步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)擁有杰出的跟蹤性能，可以準(zhǔn)確地跟蹤和定位步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，所以本設(shè)計(jì)采用的是開環(huán)控制系統(tǒng)狀態(tài)下，基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。

3.1S7-200控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

PLC實(shí)際是一種特意用于工業(yè)領(lǐng)域的控制計(jì)算機(jī)，本設(shè)計(jì)采用了西門子S7-200，它的結(jié)構(gòu)是一個(gè)整體，具備單獨(dú)的CPU，或者是帶有一些可選擇的擴(kuò)展模塊。除了CPU221主機(jī)以外，其他的CPU均可以進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)展，本程序使用CPU224XP。

步進(jìn)電機(jī)一般是由電感性負(fù)載組成，由于直流電阻比較小，因此應(yīng)當(dāng)使用限流電阻，避免因脈沖電流過大而毀壞了步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)根據(jù)D→C→B→A→D…順序依次導(dǎo)通或者斷開時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則進(jìn)行反轉(zhuǎn)，即步進(jìn)電機(jī)可以按四相單四拍反向運(yùn)行。如果步進(jìn)電機(jī)每次向前轉(zhuǎn)動(dòng)一步，就會(huì)使得環(huán)形脈沖分配程序的步數(shù)減一，依次直到步數(shù)減為零的時(shí)候，才會(huì)終止對(duì)環(huán)形脈沖的分配，此時(shí)則會(huì)等待下一次的脈沖輸入量。

控制部分的定位主要由PLC程序和硬件試驗(yàn)臺(tái)。硬件試驗(yàn)臺(tái)的連線如圖3所示。

圖3 硬件試驗(yàn)臺(tái)的接線

3.2 STEP7控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是西門子公司的STEP7－Micro/WIN V4.0版本，按照實(shí)驗(yàn)要求，將步進(jìn)電機(jī)和試驗(yàn)臺(tái)按照程序編寫的控制要求連接起來。本實(shí)驗(yàn)在學(xué)校試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，其中PLC和驅(qū)動(dòng)電路是組裝在一起的。硬件連線接好之后，開始編寫PLC軟件程序，實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的功能。

3.2.1 程序流程圖（如圖4）

圖4 程序流程圖

開始→設(shè)置參考點(diǎn)→正轉(zhuǎn)啟動(dòng)或者反轉(zhuǎn)啟動(dòng)→首次啟動(dòng)→發(fā)出移位脈沖→選擇控制單四拍、雙四拍、八拍，步數(shù)測量工作方式→移位寄存器賦初值→停止或繼續(xù)執(zhí)行。

3.2.2 梯形圖設(shè)計(jì)

輸入開關(guān)由I0.0到I0.5分別控制各部分功能，輸出開關(guān)由Q0.0到Q0.3控制輸出四相的I/O接口，如表1所示。

采用移位指令進(jìn)行步進(jìn)控制。首先指定移位寄存器MOVEB（8位），移位寄存器的初值如表2所示。

按照四相單四拍的步進(jìn)順序每左移1位，電機(jī)前進(jìn)一個(gè)步距角（一拍），完成四拍后重新賦初值。而在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，M0.4，M0.5，M0.6，和 M0.7始終保持為“0”。

表1 輸入輸出地址

表2 移位寄存器初值

3.2.3 部分程序設(shè)計(jì)說明

如圖5所示，網(wǎng)絡(luò)2、3、4是針對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單四拍、雙四拍和八拍進(jìn)行選擇。當(dāng)選擇一種方式工作時(shí)，另外兩組會(huì)自動(dòng)斷開。

網(wǎng)絡(luò)10設(shè)定了計(jì)數(shù)器指令。進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)測量，如圖6所示。

4 結(jié)論

圖5 工作方式的選擇

圖6 步數(shù)控制

本文通過對(duì)PLC軟件程序的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)、停止、啟動(dòng)、雙四拍、單四拍、八拍以及步數(shù)等控制，由于PLC本身的功能模塊化和可視化等優(yōu)點(diǎn)，使得程序設(shè)計(jì)更加簡潔清楚，易于觀察和修改，降低編程的出錯(cuò)率，保證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，提高了步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)控制開發(fā)系統(tǒng)的效率。同時(shí)，在每次步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，電機(jī)會(huì)向運(yùn)轉(zhuǎn)方向的反方向，有小的角度的偏轉(zhuǎn)，這是在以后的工作中需要改進(jìn)的地方。

目前有很多針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制方法，采用PLC控制步進(jìn)電機(jī)，有效地克服了工作現(xiàn)場中電磁干擾對(duì)控制過程的影響，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行更加可靠、便捷。同時(shí)步進(jìn)電機(jī)可以清晰地觀察每一個(gè)模塊的運(yùn)行狀況，這給監(jiān)控提供了很大的便利。所以，在針對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)中有明確的功能化模塊的情況下，多采用PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，可以使系統(tǒng)性能更加突出且可靠。

［1］ 熊永康，李躍忠，全麗希.基于TMS320F28335的微位移步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)，2014（4）:61-63，54.

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