利用PLC控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與停止

楊勝利

摘要：在一些小型設(shè)備和設(shè)計(jì)精度不高的設(shè)備中常常會(huì)用到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如何讓步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止，是需要我們解決的問(wèn)題，可以通過(guò)不同種方式完成對(duì)電機(jī)的控制。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動(dòng)機(jī) ?PLC ?步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器 ?程序

2013年山東省高級(jí)技師實(shí)訓(xùn)操作試題一：運(yùn)料小車(chē)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制。這說(shuō)明步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在一些控制精度不高的設(shè)備中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。例如：線(xiàn)切割、簡(jiǎn)易自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備都使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)完成設(shè)備的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是如何能夠旋轉(zhuǎn)的，步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是一步一步進(jìn)行的，每輸入一個(gè)脈沖電信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，通過(guò)改變脈沖頻率和數(shù)量，可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速和控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移大小，具有較高的定位精度，其最小步距角可達(dá)0.75，轉(zhuǎn)動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)反應(yīng)靈敏可靠。而步距角是每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)為步距角，步距角的大小可直接影響電機(jī)的運(yùn)行精度。

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)，加以放大以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比，控制步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)的頻率，可以對(duì)電機(jī)精確調(diào)速;控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，可以對(duì)電機(jī)精確定位。整步：最基本的驅(qū)動(dòng)方式，這種驅(qū)動(dòng)方式的每個(gè)脈沖使電機(jī)移動(dòng)一個(gè)基本步矩角。例如：標(biāo)準(zhǔn)兩相電機(jī)的一圈共有200個(gè)步矩角，則整步驅(qū)動(dòng)方式下，每個(gè)脈沖可以使電機(jī)移動(dòng)1.8°，而半步是在單相激磁時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸停至整步位置上，驅(qū)動(dòng)器收到下一個(gè)脈沖后，如給另一相激磁且保持原來(lái)相繼續(xù)處在激磁狀態(tài)，則電機(jī)轉(zhuǎn)軸將移動(dòng)半個(gè)基本步矩角，停在相鄰兩個(gè)整步位置的中間。如此循環(huán)地對(duì)兩相線(xiàn)圈進(jìn)行單相然后兩相激磁，步進(jìn)電機(jī)將以每個(gè)脈沖半個(gè)基本步矩角的方式轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線(xiàn)圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°至1.8°、三相的為0.75°至1.5°、五相的為0.36°至0.72°。在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶(hù)主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿(mǎn)足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則相數(shù)將變得沒(méi)有意義，用戶(hù)只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分設(shè)置數(shù)就可以改變步距角。步進(jìn)電機(jī)的拍數(shù)指的是電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需的脈沖數(shù)。

①細(xì)分：細(xì)分就是指電機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際步矩角是基本步矩角的幾分之一。如：驅(qū)動(dòng)器工作在10細(xì)分狀態(tài)時(shí)，其步矩角只為電機(jī)固有步矩角的十分之一，也就是說(shuō)：當(dāng)驅(qū)動(dòng)器工作在不細(xì)分的整步狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1.8°，而用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在10細(xì)分狀態(tài)時(shí)，電機(jī)只轉(zhuǎn)動(dòng)了0.18。細(xì)分功能完全是由驅(qū)動(dòng)器靠精度控制電機(jī)的相電流所產(chǎn)生的，與電機(jī)無(wú)關(guān)。細(xì)分是控制精度的標(biāo)志，通過(guò)增大細(xì)分能改善精度。步進(jìn)電機(jī)都有低頻振蕩的特點(diǎn)，如果電機(jī)需要工作在低頻共振區(qū)，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器是很好的選擇。此外，細(xì)分和不細(xì)分相比，輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)各種電機(jī)都有不同程度的提升。②硬件準(zhǔn)備。S7-200 PLC、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器KINCO9（步科）3M458、步進(jìn)電機(jī)3S57Q-

04056和連線(xiàn)。電機(jī)的連線(xiàn)：由于步進(jìn)電機(jī)是三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要把電機(jī)接成三角形。整步方式下步距角是1.8°，半步方式下步距角為0.9°，相電流為5.8A。③步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接線(xiàn)及接點(diǎn)的解釋?zhuān)篜LS+和PLS-為脈沖信號(hào)的接點(diǎn)：脈沖信號(hào)的數(shù)量、頻率與步進(jìn)電機(jī)的位移和速度成正比;DIR+和DIR-為方向信號(hào)的接點(diǎn)：它的高低電平?jīng)Q定電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向;FREE+和FREE-為脫機(jī)信號(hào)：當(dāng)為ON時(shí)，驅(qū)動(dòng)器將斷開(kāi)輸入到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電源回路;當(dāng)為OFF時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在上電后，即使靜止時(shí)也保持自動(dòng)半流的鎖緊狀態(tài)。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器主要解決的問(wèn)題是：脈沖的分配和功率放大。脈沖分配（環(huán)形脈沖分配器）：用來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電運(yùn)行方式，其作用是把控制器送來(lái)的一串指令脈沖按照一定的順序和分配方式控制各相繞組的通斷，由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理是各繞組必須按一定的順序通電變化才能正常工作，完成這種通電順序變化的規(guī)律我們稱(chēng)為環(huán)形分配器。驅(qū)動(dòng)器采用的是細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源：這里的細(xì)分表示為每送給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一相或幾相繞組一個(gè)脈沖信號(hào)的電壓，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就旋轉(zhuǎn)一步即步距角，如果在一拍中通電相的電流不是一次直接到達(dá)最大值，而是分成多次，每次增加都會(huì)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一小步;同樣的繞組電流的下降也是分成幾次完成，這樣的方式稱(chēng)為細(xì)分，這樣步進(jìn)電機(jī)由原來(lái)的一步到達(dá)便分成許多微步來(lái)完成實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)的細(xì)分。在實(shí)際應(yīng)用中，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的側(cè)面有一個(gè)紅色的8位開(kāi)關(guān)我們稱(chēng)為功能設(shè)定開(kāi)關(guān)，主要用來(lái)設(shè)定驅(qū)動(dòng)器的工作方式和工作參數(shù)。其中開(kāi)關(guān)1至3用來(lái)表示細(xì)分設(shè)置用，如果開(kāi)關(guān)打在ON，表示使用，如果打在OFF表示此開(kāi)關(guān)不用，加細(xì)分設(shè)置表。

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DIP4：ON表示靜態(tài)電流全流，OFF表示靜態(tài)電流半流。

DIP5至DIP8：表示輸出相電流設(shè)置用，加輸出相電流的設(shè)置表。

電路的整體接線(xiàn)圖（圖1）。

步進(jìn)電機(jī)的控制方式：

①利用字節(jié)控制步進(jìn)電機(jī)。在主程序中調(diào)用初始化子程序，在子程序中設(shè)置：

a設(shè)置PTO/PWM控制字節(jié)（Q0.0對(duì)應(yīng)的是字節(jié)SMB67;Q0.1對(duì)應(yīng)的是字節(jié)SMB77）。b寫(xiě)入周期值：（Q0.0對(duì)應(yīng)的是字節(jié)SMW68;Q0.1對(duì)應(yīng)的是字節(jié)SMW78）。c寫(xiě)入脈沖串計(jì)數(shù)值：（Q0.0對(duì)應(yīng)的是字節(jié)SMD72;Q0.1對(duì)應(yīng)的是字節(jié)SMD82）。d連接中斷事件和中斷服務(wù)程序，允許中斷（可選）。e執(zhí)行PLS指令，使S7-200CPU對(duì)PTO硬件編程。（圖2）

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圖2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖3

②利用包絡(luò)控制步進(jìn)電機(jī)（圖3）。

③利用庫(kù)控制步進(jìn)電機(jī)（圖4）。

Velocity_ss：?jiǎn)?dòng)/停止頻率（最低速度），單位：pulse/Second

Velocity_max：最大頻率（最高速度），單位：pulse/Second。

Accel_dec_time：加減速時(shí)間 Fwd_limit：正向限位開(kāi)關(guān)

Rev_limit：反向限位開(kāi)關(guān) ?C_pos：當(dāng)前的脈沖數(shù)值

Num_pulses：脈沖數(shù)值（必須大于1）

velocity：預(yù)設(shè)的頻率（預(yù)設(shè)的速度）direcition：預(yù)設(shè)的方向（0表示反向，1表示正向）。

Done：完成位

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)在于它控制簡(jiǎn)單，投資成本低，所以很多小型設(shè)備在設(shè)計(jì)上優(yōu)先選擇步進(jìn)電機(jī)，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)非常全。但是其缺點(diǎn)是其控制精度不高，在一些高精尖的設(shè)備已不再采用，而是用交流伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

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