基于PLC的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制裝置設(shè)計(jì)

馬仕麟 莫莉萍 李永杰 劉英杰

摘 要：本文介紹了一套PLC控制以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩軸系統(tǒng)，配合軸上的編碼器，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度的閉環(huán)控制，并且介紹了步進(jìn)電機(jī)定位移動(dòng)過(guò)程中的速度算法以及多段加速的頻率整定方法。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；速度控制；PID；PLC

一、 設(shè)計(jì)背景

本文設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制裝置是應(yīng)用在一套灌裝、搬運(yùn)的實(shí)訓(xùn)裝置上。以步進(jìn)電機(jī)為XY十字滑臺(tái)的驅(qū)動(dòng)元件，連入光感、編碼器進(jìn)行零位節(jié)位置反饋，通過(guò)精確控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)十字滑臺(tái)上機(jī)械手的移動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)加減速時(shí)液體不潑灑，準(zhǔn)確放到指定位置的控制目的。其中本文介紹的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制是這套裝置中的關(guān)鍵部分。目前雖可通過(guò)S7 200 smart CPU中的運(yùn)動(dòng)控制功能控制步進(jìn)電機(jī)加減速，但無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)多段加減速并實(shí)時(shí)反饋速度。所以在本套裝置的每個(gè)軸上增加了編碼器，作為反饋信號(hào)源。學(xué)生通過(guò)這樣一個(gè)有反饋的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的多段加速、減速控制，理解步進(jìn)電機(jī)速度控制原理。

二、 系統(tǒng)組成

轉(zhuǎn)速控制裝置由XY十字滑臺(tái)作為機(jī)械部分，步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、編碼器、光感等元件作為電氣部分。PLC作為控制器，觸摸屏作為人機(jī)界面構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。觸摸屏發(fā)送倉(cāng)位信息給PLC，PLC通過(guò)倉(cāng)位信息計(jì)算出移動(dòng)到指定倉(cāng)位所需的位移（脈沖數(shù)），并由內(nèi)部程序控制發(fā)出脈沖信號(hào)，觸發(fā)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行多段加減速。

（一） 十字滑臺(tái)

十字滑臺(tái)采用高精度絲桿配合滾珠式平面承重導(dǎo)軌，絲杠螺距為4mm。

（二） 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)

因負(fù)載及加速度并不是很大，故步進(jìn)電機(jī)選用Kinco兩相步進(jìn)電機(jī)2S42Q0240（02940），額定電流為0.4A，電阻為12.5Ω，電感為21±20%mH，轉(zhuǎn)矩為0.22Nm，步距角 1.8°。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器選用Kinco的2M412，兩相驅(qū)動(dòng)，最大能提供1.2A的電流，細(xì)分后每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為400～51200。

（三） 編碼器

編碼器選用OMRON的E6B2CWZ6C旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)一周可輸出1000脈沖，PLC高速計(jì)數(shù)器口可以有效識(shí)別。通過(guò)編碼器反饋的脈沖，可將當(dāng)前軸的旋轉(zhuǎn)速度反饋給PLC，通過(guò)程序計(jì)算，可在屏上顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速及位置。

（四） PLC

本設(shè)備采用西門(mén)子S7200 SMART，CPU型號(hào)為ST40。帶有六個(gè)高速計(jì)數(shù)器輸入及三路脈沖輸出，足夠驅(qū)動(dòng)十字滑臺(tái)的兩個(gè)軸及檢測(cè)兩軸的反饋信號(hào)。

三、 轉(zhuǎn)速控制算法

步進(jìn)電機(jī)的速度控制通常參考階梯規(guī)律、直線規(guī)律及指數(shù)規(guī)律，其中指數(shù)控制可以保證步進(jìn)電機(jī)加、減速的穩(wěn)定性，但對(duì)于PLC控制而言過(guò)于困難。所以本裝置采用分段直線規(guī)律控制，并且將加速、減速過(guò)程設(shè)定為對(duì)稱的過(guò)程，以簡(jiǎn)化PLC程序。

設(shè)置加、減速的時(shí)間為運(yùn)動(dòng)總時(shí)間t的14，每段加減速都經(jīng)過(guò)n次頻率跳變（n越大則加減速越平緩），設(shè)此時(shí)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的細(xì)分?jǐn)?shù)為X，每個(gè)脈沖滑臺(tái)移動(dòng)Sp，步進(jìn)頻率最高為fm，則有總位移表達(dá)式。

將步進(jìn)電機(jī)在當(dāng)前細(xì)分?jǐn)?shù)下的Sp=螺距每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)代入式1，可得到一個(gè)位移與時(shí)間的關(guān)系，如式2所示。

故滑臺(tái)移動(dòng)到位時(shí)間t應(yīng)如式3所示。

由時(shí)間t≥0，上述關(guān)于t的方程應(yīng)有大于零的正根這一條件判斷，推導(dǎo)出最大頻率的取值應(yīng)滿足fm≤50000XS（t2-1）n，可由當(dāng)前細(xì)分?jǐn)?shù)X求出步進(jìn)電機(jī)脈沖的最高頻率fm，代回式3即可整定加減速時(shí)間的取值。

兩個(gè)軸可用同樣方法進(jìn)行整定，整定好每段加速減速頻率后，與編碼器反饋當(dāng)前軸的旋轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行比較，如有誤差則通過(guò)一路PID通道調(diào)整PTO包絡(luò)的當(dāng)前頻率，達(dá)到閉環(huán)控制的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]周洋平.高精度微量液體加樣裝置的設(shè)計(jì)[D].重慶大學(xué)，2013.

[2]陳曉嵐，胡曉波.用PLC實(shí)現(xiàn)步進(jìn)梁的速度控制[J].電氣應(yīng)用，2006（09）：33-35.

[3]趙光偉，張帆，楊松立，王君普.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技視界，2014（27）：53，71.

[4]張濤.步進(jìn)電機(jī)快速定位方法研究[D].北方工業(yè)大學(xué)，2012.

作者簡(jiǎn)介：

馬仕麟，莫莉萍，李永杰，劉英杰，江蘇省常州市，常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院。