基于PLC的步進電機調速和正反轉控制系統

[摘要]本文闡述三相步進電動機結構與步進過程原理，以及對步進電動機的調速和正反轉研究，采用PLC基本邏輯指令和常用指令的方法對步進電動機的調速和正反轉控制，經過對步進電機的通電方式和步距角的計算研究，用可編程控制器進行硬件和軟件設計，可用于數控機床步進電機的調速控制。

[關鍵詞]步進電機 調速 PLC

一、引言

數控技術是采用數字代碼形式的信息，按給定的工作程序、運動速度和軌跡，對被控制的對象進行自動操作的一種技術。從數控機床最終要完成的任務看，主要有主軸運動。和普通車床一樣，主運動主要完成切削任務，其動力約占整臺機床動力的70～80%。基本是步進電動機和伺服電機對主軸的正、反轉和停止控制拖動，可自動換檔及無級調速。通過對步進電動機的調速和正反轉PLC控制的研究，進一步提高機械生產制造的自動化。

二、步進電動機結構、步進過程原理

1. 步進電動機

步進電動機伺服系統是典型的開環伺服系統。在這種開環伺服系統中，執行元件是步進電動機。步進電動機把進給脈沖轉換為機械角位移，并由傳動絲杠帶動工作臺移動。由于該系統中為位置和速度檢測環節，因此它的精度主要由步進電動機的步距角和與之相聯系的絲杠等傳動機構所決定。步進電動機的最高極限速度通常要比伺服電動機低，并且在低速時容易產生振動，影響加工精度。但步進電動機開環伺服系統的控制和結構簡單，調整容易，在速度和精度要求不高的場合具有一定的使用價值。步進電動機細分技術的應用，使步進電動機開環伺服系統的定位精度明顯提高;并且降低了步進電動機低速振動，使步進電動機在中低速場合的開環伺服系統中得到更廣泛的應用。

反應式步進電動機轉子中無繞組，定子繞組勵磁后產生反應力矩，使轉子轉動。這是我國主要發展的類型，已于上世紀70年代末形成完整的系列，有比較好的性能指標。反應式步進電動機有較高的力矩轉動慣量比，步進頻率較高，頻率響應快，不通電時可以自由轉動、結構簡單、壽命長的特點。

反應式步進電動機的工作原理從圖1a中可以看出，在定子上有六個大極，每個極上繞有繞組。每對對稱的大極繞組形成一相控制繞組。這樣形成A、B、C三相繞組。極間夾角為60°。在每個大極上，面向轉子的部分分布著多個小齒，這些小齒呈梳狀排列，大小相同，間距相等。轉子上均勻分布40個齒，大小和間距與大齒上相同。當某相(如A相)上的定子和轉子上的小齒由于通電電磁力使之對齊時，另外兩相(B相，C相)上的小齒分別向前或向后產生三分之一齒的錯齒，這種錯齒是實現步進旋轉的根本原因。這時如果在A相斷電的同時，另外某一相通電，則電動機的這個相由于電磁吸力的作用使之對齊，產生旋轉。步進電動機每走一步，旋轉的角度是錯齒的角度。錯齒的角度越小，所產生的步距角越小，步進精度越高?，F在步進電動機的步距角通常為3°;1.8°;1.5°;0.9°;0.5°到0.09°等。步距角越小，步進電動機結構越復雜。

(a) 反應式步進電動機結構原理(b) 步進電動機步進過程原理

圖1 反應式步進電動機結構與步進過程原理

2. 步進電動機的有關術語:

相數:電動機定子上有磁極，磁極對數稱為相數。如圖1a有6個磁極，則為三相，稱該電動機為三相步進電動機。10個磁極為五相，稱該電動機為五相步進電動機。

拍數:電動機定子繞組每改變一次通電方式稱為一拍。

步距角:轉子經過一拍轉過的空間角度用符號α表示。

齒距角:轉子上齒距在空間的角度。如轉子上有N個齒，齒距角θ。

3. 步進電動機的通電方式及步距角

(1) 步進電動機的通電方式

步進電動機有單相輪流通電，雙相輪流通電，單雙相輪流通電幾種通電方式。

三相單三拍。我們把對一相繞組一次通電的操作稱為一拍，則對三相繞組A、B、C輪流通電三拍，才使轉子轉過一個齒，轉一齒所需的拍數為工作拍數。對A、B、C三相輪流通電一次稱為一個通電周期，步進電動機轉動一個齒距。對于三相步進電動機，如果三拍轉過一個齒，稱為三相三拍工作方式。

由于按A→B→C→A相序順序輪流通電，則磁場逆時針旋轉，則轉子也逆時針旋轉，反之則順時針轉動。

這種通電方式只有一相通電，容易使轉子在平衡位置上發生振蕩，穩定性不好。而且在轉換時，由于一相斷電時，另一相剛開始通電，易失步(指不能嚴格地對應一個脈沖轉一步)，因而不常采用這種通電方式。步距角系數c=1。

雙相雙三拍。這種通電方式由于兩相同時通電，其通電順序為AB→BC→CA→AB，控制電流切換三次，磁場旋轉一周，雙相雙三拍轉子受到的感應力矩大，靜態誤差小，定位精度高，而且轉換時始終有一相通電，可以使工作穩定，不易失步。其步距角和單三拍相同，步距角系數c=1。

三相六拍。如果我們把單三拍和雙三拍的工作方式結合起來，就形成六拍工作方式，這時通電次序為:A→AB→B→BC→C→CA→A。在六拍工作方式中，控制電流切換六次，磁場旋轉一周，轉子轉動一個齒距角。所以齒距角是單拍工作時的二分之一。每一相是連續三拍通電(如圖4所示)，這時電流最大，且電磁轉矩也最大。且由于通電狀態數增加一倍，而使步距角減少一倍。步距角系數c=2。

(2) 步距角的計算

設步進電動機的轉子齒數為N，則它的齒距角為

(1)

由于步進電動機運行K拍可使轉子轉動一個齒距角，所以每一拍的步距角可以表示為

(2)

式中 K——步進電動機的工作拍數;

N——轉子齒數。

或 (3)

式中 m—相數

z—步進電動機轉子齒數。

c—步距角系數

如果按單相對于轉子有40齒并且采用三拍工作的步進電動機，其步距角為:=360°/N×K=360°/40×3=3°?；?360°/mzc=360°/40×3×1=3°。

如果按單、雙相通電方式運行則三相步進電動機的轉子齒數z=40，步距角系數c=2，其步距角為:=360°/mzc=360°/40×3×2=1.5°。

三、基于基本邏輯指令和常用指令的步進電動機調速和正反轉控制系統

通過研究也能用基本邏輯指令和常用指令能對三相步進電機的轉速控制;可實現對三相步進電動機的正反轉控制和步數進行控制。三相步進電動機的轉速控制，分慢速、中速和快速三擋，分別通過開關S1、S2和S3選擇;正反轉控制由開關S4選擇(X004為ON，正轉;X004為OFF，反轉);步數控制分單步、10步和100步三擋，分別通過按鈕SB1、開關S6和S7開關選擇;停止用按鈕SB2控制。

1. 輸入和輸出點分配

對步進電動機正反轉和調速、步數控制輸入和輸出點分配見表1。

3.2 PLC配置及接線圖

3.3控制程序

三相步進電動機控制程序設計的梯形圖如圖 6所示。

① 轉速控制。由脈沖發生器產生不同周期T的控制脈沖，通過脈沖控制器的選擇，再通過三相六拍環形分配器使三個輸出繼電器Y000、Y001和Y002按照單雙六拍的通電方式接通，其接通順序為:

該過程對應于三相步進電動機的通電順序是:

選擇不同的脈沖周期T，以獲得不同頻率的控制脈沖，從而實現對步進電動機的調速。

② 正反轉控制。通過正、反轉驅動環節(調換相序)，改變Y000、Y001和Y002接通的順序，以實現步進電動機的正、反轉控制。即

正轉:

反轉:

③步數控制。通過脈沖計數器，控制六拍時序脈沖數，以實現對步進電動機步數的控制。

3.4 運行與調試程序

將圖6的梯形圖編寫對應的指令程序，并將其寫入PLC的RAM，運行調試程序。

①轉速控制。選擇慢速(接通S1)，接通啟動開關S0。脈沖控制器產生周期為1s的控制脈沖，使M0~M5的狀態隨脈沖向右移位，產生六拍時序脈沖，并通過三相六拍環形分配器使Y000、Y001和Y002按照單雙六拍的通電方式接通，步進電動機開始慢速步進運行。斷開S1、S0;接通S2、S0或S3、S0，觀察步進電動機的轉速控制運行情況。②正反轉控制。先接通正、反轉開關S4，再重復上述轉速控制操作，觀察步進電動機的運行情況。③步數控制。選擇慢速(接通S1);選擇10步(接通S6);接通啟動開關S0。六拍時序脈沖及三相六拍環形分配器開始工作;計數器開始計數。當走完預定步數時，計數器動作，其常閉觸點斷開移位驅步進電動機動電路，六拍時序脈沖、三相六拍環形分配器及正反轉驅動環節停止工作。步進電動機停轉。在選擇慢速的前提下，再選擇單步或100步重復上述操作，觀察步進電動機的運行情況。

四、結束語

本文介紹的步進電動機的步數控制、正反轉控制、轉速控制，用PLC的解碼、編碼指令實現對控制項目的研究具有較高的性價比，可以實現生產過程的自動化控制，也可以進行普通車床數控化改造，人機界面良好，系統投入運行后，抗干擾強，運行可靠，維護量小，可獲得良好效果。

參考文獻:

[1]趙俊生主編:《數控機床控制技術基礎》北京:化學工業出版社2006.1

[2]趙俊生主編:《電氣控制與PLC技術項目化理論與實訓》北京:電子工業出版社2009.2