步進電動機速度控制系統(tǒng)的設(shè)計

趙光偉 張 帆 楊松立 王君普

（臨沂大學汽車學院，山東 臨沂276000）

1 設(shè)計背景

《電氣控制與PLC》 是高校電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)方向課程，主要學習工廠電氣控制的基本理論和基本技術(shù)，包括傳統(tǒng)的繼電接觸器控制和現(xiàn)代PLC 控制兩大部分,是一門實踐性很強的課程，但是現(xiàn)有實驗實訓設(shè)備大都很簡單，主要是實驗臺或?qū)嶒炏洌偌右慌_微機作為編程設(shè)備，輸入輸出信號和設(shè)備都不是實際使用的設(shè)備，只能進行模擬操作，不能進行實際的接線，所以不能體驗實際工作現(xiàn)場。

為此擬設(shè)計開發(fā)一套適用于電氣工程及其自動化、自動化、電氣自動化技術(shù)等專業(yè)的PLC 實驗實訓訓練裝置， 加強學生動手能力的培養(yǎng)。

“步進電動機速度控制系統(tǒng)的設(shè)計”正是為了實現(xiàn)這一目的。項目以步進電動機作為控制對象，以觸摸屏和數(shù)字撥碼盤作為速度輸入設(shè)備，以旋轉(zhuǎn)編碼器作為測量設(shè)備，精確調(diào)節(jié)步進電動機的轉(zhuǎn)速。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由PLC、觸摸屏、步進電機、步進電機驅(qū)動器、旋轉(zhuǎn)編碼器、珠絲桿滑臺等組成。

觸摸屏除進行速度設(shè)定外，還同時顯示電動機的當前轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)編碼器用于實時測定電動機的轉(zhuǎn)速， 并通過PLC 的PID 指令組成數(shù)字量閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機帶動滑臺做勻速、加速、減速的自動往返運動。步進電機的轉(zhuǎn)速可分別通過觸摸屏和撥碼盤進行設(shè)定。

3 硬件選擇

3.1 步進電機的選擇

步進電機受脈沖信號的控制。它的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)成正比， 所以電動機的直線速度或轉(zhuǎn)速也與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率的高低就可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，并能快速起動、制動和反轉(zhuǎn)。由于電動機受脈沖控制，它的步距角和轉(zhuǎn)速大小僅與脈沖頻率有關(guān)。 它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，在不失速的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。

本設(shè)計選用57BYG 系列兩相步進電機57BYG501 作為被控對象， 額定電壓為直流24V， 額定電流為0.38A， 電阻為60Ω， 電感為120mH，轉(zhuǎn)矩為34.3N/CM。 它不僅能滿足設(shè)計的要求，而且更經(jīng)濟，性價比高。4 根引出線分別對應A+、A-、B+、B-。可用數(shù)字萬用表通過測量電阻判別，有示數(shù)說明是同相，否則反之。

3.2 步進電機驅(qū)動器的選擇

步進電機驅(qū)動器接受PLC 發(fā)出的脈沖信號并將其轉(zhuǎn)化為步進電動機的角位移，也就是步進驅(qū)動器每接收一個脈沖信號，就驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角。所以步進電動機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，控制脈沖信號的頻率，就可以對電機進行精確調(diào)速；控制步進脈沖的個數(shù)，就可以對電機進行精確定位。

步進電機驅(qū)動器的細分就是把步進電機的轉(zhuǎn)矩角進行細分，如57BYG 系列步進電機，轉(zhuǎn)矩角為0.9/1.8°，細分數(shù)為10，轉(zhuǎn)矩角就變成0.09°，也就是步進電機一步只能轉(zhuǎn)動0.09°，是原來的十分之一。 通過細分，可以提高電機的分辨率，更精確的控制步進電機的位置。

本設(shè)計選擇了一款與57BYG 系列電機相匹配的帶有細分功能的混合式步進電機驅(qū)動器SJ-2H30M5，驅(qū)動器為2 相，最大電流3A，電壓DC 24-10V，細分數(shù)2/5/10/40。

3.3 PLC 的選擇

PLC 是可編程控制器（Programmable Logic Controller）的簡稱。 它采用可編程的存儲器，用于儲存內(nèi)部程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算數(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬量輸入輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。

由于本控制的信號輸出方式為高頻脈沖，所以選擇晶體管輸出方式的三菱FX2N-32MT-001 型號的PLC， 有16 點輸入、16 點輸出，內(nèi)置8K 容量的RAM 存儲器， 可連接輸入輸出擴展模塊和特殊功能模塊，最高輸出頻率20KHz。

3.4 觸摸屏的選擇

觸摸屏由觸摸屏控制器和觸摸檢測裝置兩部分組成。觸控屏控制器的主要功能是接收在觸摸點檢測到的觸摸信息，并將信息以坐標的形式傳送給CPU， 同時觸控屏控制器接收CPU 發(fā)來的命令并加以執(zhí)行；觸摸檢測裝置一般位于顯示器的前端，主要功能是檢測并傳送用戶的觸摸位置給觸控屏控制器。 觸摸屏有三大特性，一是透明性，觸摸屏的操作界面是透明的。 二是觸摸屏是絕對坐標系統(tǒng)，絕對坐標系統(tǒng)的特點是每一次的定位都是獨立的。 三是檢測觸摸并定位，每一次的觸摸，觸摸屏都會檢測到，并對觸摸點進行坐標定位，然后進行數(shù)據(jù)處理。

本設(shè)計選用三菱F930GOT-BWD-C 型號的觸摸屏，有4.4 寸單色藍白液晶顯示器，厚度為49MM。 具有簡易的背景燈光更換，保密功能、數(shù)據(jù)傳輸功能、時鐘功能等。

3.5 旋轉(zhuǎn)編碼器的選擇

旋轉(zhuǎn)編碼器是將角位移或直線位移進行轉(zhuǎn)換的一種裝置，并以電信號的形式輸出，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。 根據(jù)讀出方式的不同，編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩類。 采用電刷輸出方式的是接觸式， 用電刷接觸導電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是 “1” 還是“0”；接收敏感元件是光敏元件或磁敏元件的是非接觸式，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”。

本設(shè)計選擇了歐姆龍E6A2-CW5C 型編碼器， 這是一款通用型、兩相輸出的編碼器，分辨率為200p/r,外徑φ25mm。 引出線4 根，其中黑線、白線分別對應A、B 兩相輸入，采用C251 高速計數(shù)器時，X0 對應輸入端為A 相，X1 為B 相，褐色線對應直流24V 正極，藍線對應負極。

3.6 撥碼盤、滑臺

BCD 撥碼盤由撥碼盤和接線端子組成。 每個BCD 撥碼盤有4 根導線分別表示8421，一根公共端。撥碼盤可以表示數(shù)字0-9，是非常便捷的數(shù)字量輸入設(shè)備。

本設(shè)計使用一行程為600mm 的珠絲滑臺為控制對象，用聯(lián)軸器將步進電機與滑臺珠絲桿聯(lián)接，步進電機轉(zhuǎn)動帶動滑臺做勻速、加減速的自動往返運行。 滑臺兩端安裝有兩對微動開關(guān)，一對用于自動換向，當滑塊觸碰到任意一個微動開關(guān)，自動換向；另一對用于終端保護，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不能進行換向而是繼續(xù)前行，那么滑塊只要觸碰任意一個微動開關(guān)，整個系統(tǒng)將斷電停止工作。 旋轉(zhuǎn)編碼器在滑臺的另一端與步進電機同軸安裝，以實時測算步進電機的轉(zhuǎn)速，并將測量的數(shù)據(jù)傳輸給PLC 進行處理，最后通過觸摸屏顯示。

4 電器布置與連接圖（圖1）

圖1

圖中輸入輸出繼電器的分配如下：X0 旋轉(zhuǎn)編碼器A 相，X1 旋轉(zhuǎn)編 碼 器B 相，X2、 X7 換 向，X3 啟 動，X4 停 止，X5 加 速，X6 停 止，X10~X13 編碼盤（高位）8421，X14~X17 編碼盤（低位）8421；Y0 脈沖輸出，Y1 方向脈沖。

PLC 上電后，通過觸摸屏按下起動按鈕，PLC 立即發(fā)出脈沖，通過輸出端口Y0 把脈沖序列傳送給步進驅(qū)動器，步進驅(qū)動器立即驅(qū)動步進電機帶動滑臺上的滑塊做勻速的自由往返運動，觸碰到滑臺兩端任意一個微動開關(guān)SQ3、SQ4 后將換向。 與此同時，與滑臺同軸連接的旋轉(zhuǎn)編碼器對電機的轉(zhuǎn)速進行測速， 并把測量的數(shù)據(jù)通過端口X0、X1傳輸給PLC，PLC 一方面進過簡單處理將電機轉(zhuǎn)速輸出給觸摸屏顯示實時速度，另一方面，進行PID 計算，調(diào)節(jié)脈沖頻率，控制電機轉(zhuǎn)速。按下加速或減速按鈕，步進電機將在接下來的5S 內(nèi)做加速或減速運動。通過撥碼盤和觸摸屏可以實現(xiàn)電機速度的兩地控制， 在允許范圍內(nèi)，輸入任意數(shù)值，步進電機就會按照輸入的轉(zhuǎn)速勻速運動。