淺析步進(jìn)電機(jī)的PLC控制技術(shù)

范俊

摘 要：可編程邏輯控制器，又稱(chēng)“PLC控制系統(tǒng)”，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)環(huán)境下的控制而設(shè)計(jì)的。它可以代替繼電器等完成邏輯運(yùn)算、順序控制和定時(shí)計(jì)算，并且可以通過(guò)數(shù)字或模擬信號(hào)輸出的形式實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制。其與微型電腦的控制系統(tǒng)類(lèi)似，在工程應(yīng)用中發(fā)揮著十分重要的作用。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；PLC控制；工業(yè)控制；驅(qū)動(dòng)模塊

中圖分類(lèi)號(hào)：TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.142

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行需要對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)，將微處理器發(fā)出的微弱脈沖信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大，使步進(jìn)電機(jī)能夠識(shí)別。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度由微處理器提供的脈沖信號(hào)直接控制，因此，只需調(diào)節(jié)未處理輸出的脈沖信號(hào)頻率就可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確控制。根據(jù)脈沖信號(hào)的數(shù)量，可以準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)精確的角位移，通過(guò)少量脈沖信號(hào)控制的方式可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止和反向運(yùn)轉(zhuǎn)操作。由于其具有易于操作且控制精度高的特點(diǎn)，被各行各業(yè)廣泛使用。

可編程控制器（Programmable Logic Controller）是現(xiàn)代工業(yè)控制中新一代的控制系統(tǒng)，其具有操作界面簡(jiǎn)單易懂、易于上手、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。利用可編程控制系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度，其脈沖信號(hào)既可以由軟件直接獲得，也可以通過(guò)相應(yīng)的硬件系統(tǒng)產(chǎn)生。本文將分析通過(guò)硬件系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖信號(hào)的方式，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)角度的準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)。

1 步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

工業(yè)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)在很大程度上依賴于電機(jī)的精確控制，因此，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制對(duì)現(xiàn)代工業(yè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。隨著科學(xué)技術(shù)與微電子技術(shù)的高速發(fā)展，電機(jī)的控制已經(jīng)脫離簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)動(dòng)與停止功能，而轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、加速度等精確參數(shù)的準(zhǔn)確控制，使得被控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)設(shè)計(jì)者要求的方式運(yùn)動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)正好能滿足設(shè)計(jì)者對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，滿足一定的負(fù)載要求。使用者可以通過(guò)微處理器發(fā)送脈沖信號(hào)控制電機(jī)進(jìn)行角位移或線位移。通常，我們所介紹的步進(jìn)電機(jī)是步進(jìn)電機(jī)與相對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的結(jié)合。當(dāng)接收到來(lái)自處理器的脈沖信號(hào)后，就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定大小的角度。步進(jìn)電機(jī)不像其他類(lèi)電機(jī)，比如直流電機(jī)那樣，直接且連續(xù)地做增量轉(zhuǎn)動(dòng)，而是逐步完成使用者的要求。因此，要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化，只需要提供相應(yīng)的脈沖信號(hào)，就可以準(zhǔn)確地控制。在控制的過(guò)程中，可以通過(guò)改變脈沖的產(chǎn)生頻率調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度。除此之外，步進(jìn)電機(jī)還具有以下多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①無(wú)刷。步進(jìn)電機(jī)是典型的無(wú)刷電機(jī)，相比其他的內(nèi)部含有電刷裝置的電機(jī)而言，其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)更加穩(wěn)定和可靠。②與負(fù)載無(wú)關(guān)。在沒(méi)有超過(guò)負(fù)載限制時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行和轉(zhuǎn)動(dòng)完全不受到影響，不會(huì)有轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的偏差。③無(wú)累積誤差。盡管步進(jìn)電機(jī)每一步的轉(zhuǎn)動(dòng)可能存在一定的角度誤差，但當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一整周之后，其累計(jì)誤差總和為零。④步距角與環(huán)境無(wú)關(guān)。步進(jìn)電機(jī)的固定轉(zhuǎn)動(dòng)角度是由電機(jī)出廠設(shè)置所決定的，與使用過(guò)程中的溫度、濕度或者電流大小無(wú)關(guān)。⑤易于控制。在控制過(guò)程中，只要改變脈沖的數(shù)量與頻率就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的角度確定與轉(zhuǎn)速控制。

2 步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)的工作原理是將數(shù)字/模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為角度或者位移的變化量，它是一種單項(xiàng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化元器件。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)獲取到來(lái)自中央處理的模擬信號(hào)輸出滯后時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)次數(shù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足系統(tǒng)設(shè)定的角度變化值，符合生產(chǎn)時(shí)的相序規(guī)定，并且有脈沖信號(hào)的傳輸，則步進(jìn)電機(jī)可以由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置直接控制運(yùn)轉(zhuǎn)。目前，我們通常使用的步進(jìn)電機(jī)共有3種，即反應(yīng)式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet，PM）和混合式（Hybrid Stepping，HS）。對(duì)于可編程控制器的選擇，本文采用國(guó)產(chǎn)無(wú)錫信捷XCC-32T，其具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①運(yùn)算速度比以前的處理系統(tǒng)更快。與上一代XC系列相比，運(yùn)算速度加快了3倍多。②信號(hào)輸出口更豐富。最多可支持5路IO口共同輸出，頻率也比上一代產(chǎn)品更高。③擁有豐富的外設(shè)。可以在外部添加各種參數(shù)模塊，實(shí)現(xiàn)軟件編寫(xiě)者需要實(shí)現(xiàn)的功能。④兼容性更強(qiáng)。能兼容上一代XC系列的產(chǎn)品。⑤支持多種運(yùn)算方式?？梢杂肞ID等控制算法進(jìn)行算法優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確控制。

步進(jìn)電機(jī)軟硬件結(jié)合的方式使得無(wú)論是軟件電路，還是硬件電路的設(shè)計(jì)都十分重要。因此，最基礎(chǔ)的步進(jìn)電機(jī)的硬件電路直接決定了整個(gè)系統(tǒng)能否按照設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思路轉(zhuǎn)動(dòng)。特別值得注意的是，無(wú)論是在同一個(gè)主程序流程中，還是子程序中，也無(wú)論脈沖指令是否相同，程序設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)都不能對(duì)同一個(gè)輸出Y編寫(xiě)2條或2條以上的脈沖輸出指令。在進(jìn)行多脈沖指令的執(zhí)行過(guò)程中，有以下3種方法：①書(shū)寫(xiě)多個(gè)流程或子程序，但每個(gè)流程或子程序中都有且只有一條同一端口輸出的脈沖指令。②在主程序中只書(shū)寫(xiě)一條脈沖指令，相關(guān)數(shù)據(jù)全部為寄存器。當(dāng)使用時(shí)，提前修改好相關(guān)參數(shù)的值，再導(dǎo)通脈沖的前提條件。當(dāng)然，前提是多處需要使用的是同一條脈沖輸出指令。③通過(guò)順序功能塊BLOCK，其原則是支持多條脈沖的。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)可編程控制系統(tǒng)可以精確地控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與角位移變化量，穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的各種轉(zhuǎn)動(dòng)要求，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工程的重復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。作為現(xiàn)代化工業(yè)設(shè)備中重要的自動(dòng)化系統(tǒng)，可編程控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)零件制作及零食、包裝加工行業(yè)中?？删幊炭刂葡到y(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制分析，有助于推動(dòng)現(xiàn)代化自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]周洪艷，高佳瑩.智能化技術(shù)在電氣工程及其自動(dòng)化中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2015（13）：72-73.

[2]賀煉滔.基于LabView的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].中國(guó)信息化，2013（14）：277-278.

[3]魏志勇.基坑支護(hù)的抗彎功能微型樁應(yīng)用分析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2014（24）：171-173.

〔編輯：劉曉芳〕