步进电动机的PLC控制

步进电动机的PLC控制【摘 要】着重对步进电动机的PLC控制系统作了研究。步进电动机的拍数控制采用步进指令，分别实现单三拍、双三拍、六拍控制的独立模块，按照指令执行相应的模块即可。正反转控制是用一个输出继电器实现输出脉冲顺序的控制。速度的控制就是对输出脉冲时间的控制，本设计用时间继电器指令、数据加减1指令、数据比较指令、位数据传输指令等实现了它的控制。采用PLC控制步进电动机可以用很低的成本实现很复杂的控制方案，而且由于PLC编程的灵活性，使修改控制方案成为轻而易举的事情，只要重新编程序即可。【关键词】步进电机 可编程序控制器 单三拍 双三拍 六拍 引言可编程序控制器简称为PLC，它出现于20世纪60年代，随着PLC的迅速发展，它的性能越来越高，价格越来越便宜。因此就有可能比较普遍地应用PLC来控制各类电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌一、 PLC控制步进电动机的原理 （一）步进电动机控制系统原理典型的步进电动机控制系统，如图1-1所示。脉冲步进控制器功率放大器步进电机负载 图1-1 步进电动机控制系统的组成步进电动机控制系统主要是由步进控制器、功率放大器及步进电动机组成。步进电动机控制器是由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成。它的作用就是能把输入的脉冲转换成环型脉冲，以便控制步进电机，并能进行正反向控制。功率放大器的作用就是把控制器输出的环型脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。在这种控制方式中，由于步进控制器线路复杂，成本高，因而限制了它的应用。但是，如果采用PLC控制系统，有软件代替上述步进控制器，则问题将大大简化。这不仅简化了线路，降低了成本，而且可靠性也大为提高，更可以根据系统的需要，灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。典型的PLC控制步进电机系统原理图，如图4-2所示。图1-2 用PLC控制步进电动机原理系统图1-2与图1-1相比，主要区别在于用PLC代替了步进控制器。因此，PLC机的主要作用就是把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。每当步进电机脉冲输入线上得到一个脉冲，它便沿着转向控制线信号所确定的方向走一步。只要负载是在步进电机允许的范围之内，那么，每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度，根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。（二）方向控制常用的步进电机有三相、四相、五相、六相四种，其旋转方向与内部绕组的通电顺序有关。下边以三相步进电机为例进行阐述。三相步进电机有三种工作方式：（1） 单三拍，通电顺序为ABCAB；（2） 双三拍，通电顺序为ABBCCAAB；（3） 三相六拍，通电顺序为AABBBCCCAA；如果按上述三种通电方式和通电顺序进行通电，则步进电机正向转动。反之，如果通电方向与上述顺序相反，则步进电机反向转动。例如在单三拍中反相的通电顺序为ACBA，其他两种方式以此类推。（三）步进电动机的加减速控制对于步进电动机的点-位控制系统，从起点至终点的运行速度都有一定要求。如果要求运行的速度小于系统的极限起动频率，则系统可以以要求的速度直接起动，运行至终点后可立即停发脉冲串而令其停止。系统在本步的运行过程中，速度可认为是恒定的。但在一般情况下，系统的极限起动频率是比较低的，而要求的运行速度往往较高。如果系统以要求的速度直接起动，因为该速度已超过极限起动频率而不能正常起动，可能发生丢步或根本不运行的情况。系统运行起来之后，如果到达终点时立即停发脉冲串，令其立即停止，则因为系统的惯性原因，会发生冲过终点的现象，使点-位控制发生偏差。因此，在点-位控制过程中，运行速度都需要有一个加速-恒速-低恒速-停止的过程，如图13所示。图13加减速控制对于非常短的距离，如在数步范围内，电动机的加减速过程没有实际意义，只要按起动频率运行即可。在稍长距离时，电动机可能只有加减速过程而没有恒速过程。对于中等或较长的运行距离，电动机加速后必须有一个恒速过程。各种系统在工作过程中，都要求加减速过程时间尽量短，而恒速的时间尽量长。特别是在要求快速响应的工作中，从起点至终点运行的时间要求最短，这就必须要求升速减速的过程最短而恒速时的速度最高。升速时的起始速度应等于或略小于系统的极限起动频率（速度），而不是从零开始。减速过程结束时的速度一般应等于或略低于起动速度，在经步数低速运行后停止。升速的选择是按照直线规律升速，按直线规律升速时加速度为恒定，因此要求电动机产生的转矩可基本认为恒定。用PLC对步进电动机进行加减速控制，实际上就是改变输出CP脉冲的时间间隔，升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。PLC用定时器中断方式来控制电动机变速时，实际上是不断改变定时器转载值的大小。二、功率放大电路三、软件设计步进电机程序设计的主要任务是：判断旋转方向；按控制要求传送控制脉冲。 因此，步进电机控制程序就是完成环形分配器的任务，从而控制步进电机转动。首先要进行旋转方向的判别，然后要进行拍数的判别,最后转到相应的控制程序。正反向控制程序分别按要求的控制顺序输出相应的控制模型，再加上脉宽延时程序即可。其程序流程图如下：图3程序流程图（一）方向控制1. 梯形图如见69，142-154步指令。2. 梯形图讲解 此程序块的功能仅是进行对输出脉冲顺序的控制，正相是Y1-Y2-Y3依次接通即A相-B相-C相，反向是Y3-Y2-Y1依次接通即C相-B相-A相。3. 主要指令的分析（二）工作方式控制1、梯形图如见57-65，73-137步指令。2、梯形图讲解此程序块的功能用步进指令实现拍数模块程序的选择而各模块用移位指令SR实现依次接通功能，RA、RB、RC分别控制单三拍、双三拍、六拍的移位接通，并用R12、R23、R35限制 SR的移位脉冲个数，并接通R7实现触发脉冲作用。用R8控制移位停止。3、主要指令的分析（1）SR左移寄存器指令指令功能：相当于一个串行输入移位寄存器。移位寄存器必须按数据输入、移位脉冲输入、复位输入和SR指令的顺序编程。数据在移位脉冲输入的上升沿逐位向高位移位一次，最高位溢出，当复位信号输入到来时，参与移位的内容全部复位（变为“0”）。该指令的功能只能为内部字继电器WR的16位数据基移一位。（2）步进指令NSTL : 若该指令的触发信号接通。则每次扫描均执行NSTL斤维。开始执行步进过程（扫描执行方式），并将包括该指令本身在内的整个步进过程复位。SSTP : 表示进入步进程序。NSTP : 当检测到该触发信号的上升沿时，执行NSTP指令。即开始执行步进过程（脉冲执行方式），并将包括该指令本身在内的整个步进过程复位。STPE : 关闭步进程序区，并返回一般梯形图程序。(3)内部继电器指令 R9013 : 第一扫描周期闭合。4、各指令的操作数指令操作数继 电 器定时器/计数器寄存器索引寄存器常数索引修正值WXWYWRSVEVDTIXIYKHSRN/AN/AAN/AN/AN/AN/AN/AN/AN/AN/ATMRN/AN/AN/AAN/AN/AN/AN/AAN/AN/A注：A：可用，N/A：不可用。以下各表都采用该符号表示，以后不再说明。（三）步进电动机的加减速控制1、梯形图如见69 156-212步指令。2、梯形图讲解此程序块的功能是进行对SR移位时间的控制，用F0（MV）指令来对定时器进行数值的初始化，F37(-1)指令来实现升速的控制而F35(+1) 指令来实现减速的控制，比较指令F60（CMP）用来速度是否达到规定值，时间继电器T1控制停止缓冲时间。3、主要指令的分析（1）F0（MV）16位数据传输指令a、指令功能: 将16位（bit）数据从一个16位（bit）区传送到另一个16 位区。b、指令梯形图触发信号 S DS16位常数或存放常数的16位区(源区)D16位区(目的区)（2）F35（+1）16位数据加1指令a指令功能当触发信号接通时，由D指定的16位数据加1，结果存储在D中触发信号接通D（原始数据）+1D（结果）如果计算结果出现溢出（特殊内部继电器R9009接通），可使用F36（D+1）指令（32位数据加1）。b指令梯形图触发信号 DD16位数据递加1（2）F60（CMP）16位数据比较指令a指令功能: 当触发信号接通时，将“S1”指令的16位数据与“S2”指定的16位数据进行比较，比较的结果存储在特殊继电器R9009、R900AR900Ck ,如果使用特殊继电器R9010(常ON)来作F60（CMP）指令的触发信号时，则比较结果前的触发信号R9010可省略。b指令梯形图触发信号 S1 S2 确保使用与F60(CMP)的触发信号相同的触发信号 S1被比较的16位常数或傣族数据的16位区R900A标志当S1S2时瞬间接通S2被比较的16位常数或存放数据的16位区R900B标志当S1S2时瞬间接通R900C标志当S1S2时瞬间4、各指令的操作数指令操作数继 电 器定时器/计数器寄存器索引寄存器常数索引修正值WXWYWRSVEVDTIXIYKHTMRN/AN/AN/AAN/AN/AN/AN/AAN/AN/AF0SAAAAAAAAAAADN/AAAAAAAAN/AN/AAF35DN/AAAAAAAAN/AN/AAF60S1AAAAAAAAAAAS2AAAAAAAAAAAF37DN/AAAAAAAAN/AN/AA（四） I/O分配 输入: X0:开始准备(K1) X1:单三拍(K2) X2:双三拍(K3) X3:六拍(K4) X4:反转(K5) X5:停止(K6)输出: Y0: 开始准备(L1) Y1:A相 Y2:B相 Y3:C相 Y4:反转(L2)（五） 硬接线图6PLC硬接线图 注：K5，K6为带自锁开关。四、结束语通过上面的一系列的学习和认识，步进电动机能直接接受数字量的输入，所以特别适合PLC控制。经过学习掌握步进电动机和可编程控制器技术的实践应用，使本设计能实现对步进电动机的控制过程。在这个控制过程中，能实现步进电动机的拍数和方向的控制，更能显示出可编程控制器是将传统的继电器控制技术与计算机技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、使用方便等的一系列优点。而可编程控制器是专门为工业控制应用而设计的，可执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作。他还具有丰富的输入/输出接口和较强的驱动能力。而在实际运用时，其硬件需要根据实际需要进行选用配置，其软件则需根据控制要求进行设计编制。附录：梯形图 参 考 文 献 1、常斗南，李全利 ，张学武 编著。 可编程序控制器原理、应用、实验M 北京：机械工业出版社1998年7月2、李乃夫编著 。 可编程序控制器原理、应用、实验M 北京：中国轻工业出版社1998年1月3、何衍庆，戴自祥，俞金寿编著 。 可编程序控制器原理及应用技巧M 北京：化学工业出版社 1998年8月4、俞雷声,方宗达编著 。电气控制与PLC应用M 北京：机械工业出版社 1998年10月 5、易传禄,韩希光编著。可编程序控制器应用指南M 上海：上海科学普及出版社 1993年6月6、黄大雷,吴庚申编著。 可编程序控制器及其应用M人民交通出版社 1993年1月7、马洪飞,陈宏钧 ,刘汉奎编著。电气自动化英语M哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社 1999年7月8 王宗培, 孔昌平, 李楚武编著。 步进电动机及其控制系统M. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社9 刘宝廷, 程树康编著。 步进电动机及其驱动控制系统M. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 1997.10 陈隆昌,阎治安,刘新正编著。控制电机M.西安：西安电子科技大学出版社2000年5月10