基于PLC步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究

摘 要：根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用原理設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。并根據(jù)電機(jī)的特性設(shè)計(jì)了基于PLC的控制電路，系統(tǒng)通過(guò)改變控制信號(hào)頻率從而改變占空比來(lái)調(diào)整速度。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)控制；PLC；PWM；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）8-0079-02

現(xiàn)代可編程序控制器采用微處理器（Microprocessor）作為管理內(nèi)核，具有豐富的輯控制功能、算術(shù)運(yùn)算、模擬量處理和通信聯(lián)網(wǎng)等功能。

PLC的高可靠性到目前為止沒(méi)有任何一種工業(yè)控制設(shè)備可以達(dá)到，PLC對(duì)環(huán)境的要求較低，與其它裝置的外部連線和電平轉(zhuǎn)換極少，可直接接各種不同類型的接觸器或電磁閥等。PLC的硬件主要由CPU模塊、I/O端口組成，如圖1所示：

PLC管理控制過(guò)程一般可分為輸入采樣，程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)主要階段。PLC程序的易修改性，可靠性，通用性，易擴(kuò)展性，易維護(hù)性可和計(jì)算機(jī)程序相媲美，再加上其體積小，重量輕，安裝調(diào)試方便，使其設(shè)計(jì)加工周期大為縮短，可重復(fù)利用。

1 步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制原理

步進(jìn)電機(jī)的高頻啟動(dòng)，低頻正常工作，但空載頻率是極限，啟動(dòng)時(shí)超出時(shí)出現(xiàn)失步而無(wú)法啟動(dòng)。同時(shí)，速度切換由校驗(yàn)機(jī)制保障。

步進(jìn)電機(jī)的速度控制原理實(shí)際上就是控制觸發(fā)脈沖的頻率，即變頻調(diào)速。其控制信號(hào)的頻率增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，反之亦然。

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

1.2.1 控制部分的方案論證

方案一：用PLC電路實(shí)現(xiàn)。用定時(shí)芯片產(chǎn)生脈沖，用組合和時(shí)序電路實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的分配及頻率的調(diào)節(jié)。整個(gè)電路用到的分立元件較多，電路構(gòu)成復(fù)雜，不易焊接，且電路的抗干擾能力較差。

方案二：采用單片機(jī)作為核心控制部件。但是按照給定的通電換相順序，通過(guò)單片機(jī)的I/O向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖，在電機(jī)的工作過(guò)程脈沖持續(xù)產(chǎn)生占用了大量的CPU內(nèi)存，影響使單片機(jī)性能而導(dǎo)致性能變差。

方案三：用PLC作控制部件，PLC控制外圍電路簡(jiǎn)單，整體性能好，有更好的穩(wěn)定性好。精度高，抗干擾能力強(qiáng)。

顯然第三種方案具有更大的優(yōu)越性，靈活性，經(jīng)比較采用第三種方案。

1.2.2 功放電路的方案確定

由于從PLC的I/O中出來(lái)的電流小，功率達(dá)不到驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行與正常工作要求。直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案中最合理的驅(qū)動(dòng)電路是H型PWM的驅(qū)動(dòng)電路。即用PLC控制晶體管組成的丁類功率放大器，輸出占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)，從而準(zhǔn)確調(diào)整電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。H型丁類功率放電路晶體管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，效率理論上可達(dá)100%；采用晶體管，開(kāi)關(guān)反應(yīng)快，穩(wěn)定性強(qiáng)，是經(jīng)典的脈寬調(diào)制的調(diào)速技術(shù)。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案選擇如下。

方案一：?jiǎn)坞妷候?qū)動(dòng)。電機(jī)繞組工作電源僅使用一個(gè)電壓源，如圖2所示：

其中R1是限流電阻，與線圈電感共同決定時(shí)間常數(shù)，但如果R1數(shù)值過(guò)大會(huì)削弱繞組電流而限制功率。方法是并聯(lián)一個(gè)電容C改變功率因數(shù)，補(bǔ)償繞組電流上升沿，是波形變陡，改善繞組高頻段性能。

方案二：斬波恒流驅(qū)動(dòng)。高頻開(kāi)關(guān)管T1、T2導(dǎo)通頻率不同，T1導(dǎo)通次數(shù)遠(yuǎn)高于T2。T2開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極電阻Ro為限流電阻。繞組的電流波形在T2導(dǎo)通周期段，電源供電是離散的，電源效率高，抑制了共振現(xiàn)象。但采用晶體管，脈沖不是方波（鋸齒），電磁噪聲大，如圖3所示。

方案一的單電壓驅(qū)動(dòng)方式信價(jià)比高，正好適合本課題。所以選擇方案一作為設(shè)計(jì)方案。

經(jīng)過(guò)上面的分析與論證，電機(jī)控制的總方框圖如圖4所示：

1.3 步進(jìn)電機(jī)功率放大器實(shí)際電路

步進(jìn)電機(jī)其驅(qū)動(dòng)電路原理與控制過(guò)程如下： PLC控制脈沖信號(hào)分別接到驅(qū)動(dòng)管Q3-Q6的b極，c極分別輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，去控制步進(jìn)電機(jī)的對(duì)應(yīng)管腳（1、3、4、6），需要說(shuō)明，2、5腳一定是接高電平。正轉(zhuǎn)各相通電順序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A，則只要依次通脈沖序列1110-1100-1101-1001-1011-0011-0111-0110-1110即可以完成。反轉(zhuǎn)也以此類推。則電機(jī)在驅(qū)動(dòng)電路作用下實(shí)現(xiàn)高效調(diào)速與控制，驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示：

TLP521-2光耦集成芯片隔離控制部分與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分，改善電路的電流性能，增加控制系統(tǒng)與工作部分隔離度，這樣可以提高運(yùn)行中控制系統(tǒng)所需的電壓。

2 軟件設(shè)計(jì)

總控制模塊是通過(guò)對(duì)各個(gè)按鍵的選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能，就是一個(gè)對(duì)不同按鍵的響應(yīng)程序。共有復(fù)位RESET 鍵，步進(jìn)與直流電機(jī)選擇SLECT鍵，正反選擇SHIFT鍵，速度選擇SPEED鍵四個(gè)按鍵。程序流程圖如圖6所示：

3 結(jié) 語(yǔ)

步進(jìn)電機(jī)控制的PLC控制通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)，起動(dòng)時(shí)的頻率不能太大，否則易產(chǎn)生不同步現(xiàn)象，甚至根本不起動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其轉(zhuǎn)矩成反比。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳宇.可編程程序控制器基礎(chǔ)給編程技巧[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，1999.

[2] 陳雨春，季景學(xué).可編程控制器應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)方法與技巧[M].北京：電子工業(yè)出版社，1992.

[3] 周萬(wàn)珍，高鴻斌.PLC與設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[4] 廚美蘭，周封，王岳字.PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.