基于PLC的步進電機控制實驗裝置的研制

王 迪，黃海龍，荊 銘，杜佳舒趙云宇，劉曉東

（遼寧工業大學機械工程與自動化學院，遼寧 錦州121001）

步進電機控制實驗是“PLC控制技術”、“機電一體化”、“電動機控制”等課程的主要實驗之一，本文針對現有實驗裝置的不足，研制了一套基于PLC的步進電機控制實驗裝置，該實驗裝置主要由PLC、觸摸屏、步進電機、步進電機驅動器、滾珠絲杠、滑塊、直線導軌和位移傳感器等組成，可以幫助學生學習步進電機的速度，位置的控制方法，還可以幫助學生學習PLC對模擬量輸入信號和模擬量輸出信號的處理方法。該實驗裝置可以應用于“PLC控制技術”等課程的實驗教學，還可應用于機電專業的開放實驗、機電專業的課程設計和畢業設計等。

1 實驗裝置的功能

該實驗裝置主要基于PLC和觸摸屏，實現對步進電機的控制，主要功能有：

（1）實驗裝置可以幫助學生學習步進電機的速度，位置的控制方法；

（2）實驗裝置可以幫助學生學習PLC對模擬量輸入信號的處理方法；

（3）實驗裝置可以幫助學生學習PLC對模擬量輸出信號的處理方法；

（4）實驗裝置可以幫助學生學習PLC的邏輯控制方法和數據處理方法；

（5）實驗裝置可以幫助學生學習觸摸屏的編程方法。

2 實驗裝置的特點

該實驗裝置的主要特點有：

（1）實用性：實驗裝置可以幫助學生學習步進電機的速度、位置的控制方法；PLC對模擬量輸入信號的處理方法；PLC對模擬量輸出信號的處理方法；PLC的邏輯控制方法和數據處理方法；觸摸屏的編程方法等。

（2）簡單易操作性：實驗裝置的程序設計簡潔優化，對于有PLC和觸摸屏基礎的學生，2到3個學時就能夠掌握步進電機的速度、位置的控制方法；PLC對模擬量輸入信號的處理方法和PLC對模擬量輸出信號的處理方法。

（3）開放性：實驗裝置的程序是開源的，學生可以在原有程序的基礎上開發功能更多、更高的新程序。

（4）安全性：實驗裝置對電源部分進行了特殊處理，可以有效地保護學生的安全。

3 實驗裝置的組成

該實驗裝置主要包括PLC、觸摸屏、步進電機、步進電機驅動器、滾珠絲杠、滑塊、直線導軌、位移傳感器、24V開關電源。觸摸屏用于設置和顯示；PLC通過Q0.0輸出不同周期和個數的脈沖給步進電機驅動器，步進電機驅動器對PLC輸出的脈沖進行細分和功率放大以驅動步進電機；步進電機通過聯軸器與絲杠聯接，絲杠-螺母副把步進電機的旋轉運動轉變為螺母和滑塊的直線運動；整個裝置處于正向控制時，位移傳感器用于檢測滑塊的位置，整個裝置處于反向控制時，位移傳感器為PLC提供輸入信號，控制步進電機的旋轉，從而控制滑塊跟蹤位移傳感器的位置；24V開關電源為觸摸屏、PLC、步進電機驅動器提供電源，位移傳感器的電源由PLC的傳感器電源提供。主要部件的型號如表1所示，步進電機電機的固有步距角為1.8°，滾珠絲杠的行程為200 mm，導程為2 mm，位移傳感器的行程為250 mm，輸出為0～5 V.

表1 實驗裝置的主要部件的型號

4 實驗裝置的制作

（1）觸摸屏界面的設計

使用臺達DOP-A系列觸摸屏的編譯軟件Screen Editor設計觸摸屏的界面，觸摸屏的界面主要有開機界面，步進電機的速度、位置控制界面，PLC對模擬量輸入信號的處理界面和PLC對模擬量輸出信號的處理界面，四個界面如1所示。

圖1 觸摸屏界面

（2）PLC程序的設計

使用西門子S7-200系列PLC的編譯軟件STEP 7 MicroWIN編寫PLC的程序，PLC程序的主要代碼如下 ：LD SM0.0；MOVW VW110，AQW0；LD SM0.0；MOVW AIW0， VW210；AENO；/I+32， VW210；AENO；=Q0.0；LD SM0.0；MOVW VW210，VW220；*I+5，VW220；LD SM0.0；R Q0.0，1；LD SM0.0；MOVW VW30，SMW68；LD M1.4；EU；S Q0.2，1；LD M1.3；EU；R Q0.2，1；LD M1.3；O M1.4；OW ＞=VW1600，6000；EU；MOWB 16#85， SMB67；MOVD VD10，SMD72；PLS.

5 實驗裝置的樣機及其測試

實驗裝置的樣機如圖2所示，實驗裝置的主要部件固定在一個平板機架上，分四層排列，最上面一排是步進電機、聯軸器、絲杠-螺母副、滑塊；第二排是位移傳感器；第三排是24 V開關電源、PLC、步進電機驅動器；最下面一排是觸摸屏。

圖2 實驗裝置的實物圖

對樣機進行測試，首先進行正向測試，即在觸摸屏上設置PTO的周期和個數，控制步進電機的運轉，用傳感器檢測滑塊的實際位置，對比實際位置和計算位置，得到實驗裝置正向運行的準確率，測試時，SMB67設置為16#85，即PTO的單位為μs，正向測試的實驗數據如表2所示。再對樣機進行反向測試，即手動改變傳感器的位置，控制步進電機的運轉，用觸摸屏監測PTO的實際個數，對比實際個數和計算個數，得到實驗裝置反向運行的準確率，反向測試的實驗數據如表3所示。

表2 實驗裝置的正向測試數據

表3 實驗裝置的反向測試數據

由表2可知，當PTO的周期設置為10時，實驗裝置的準確率在99.40%-99.50%之間，當PTO的周期設置為1000時，實驗裝置的準確率在99.50%-99.60%之間，PTO的周期為1000時的準確率高于PTO的周期為10時的準確率；由表3可知，實驗裝置的反向準確率在99.10%-99.40%之間，低于實驗裝置的正向準確率。

6 結束語

該實驗裝置具有較強的實用性、簡單易操作性、開放性和安全性，該實驗裝置已經應用于實驗教學，達到了良好的教學效果，受到學生的好評。

該實驗裝置還存在一些不足之處，有待進一步修改和完善。

（1）實驗裝置還沒有實現閉環控制功能，有待進一步開發和完善，有了閉環控制功能，該實驗裝置的應用會更廣泛，可以應用于“機械控制理論”等課程的實驗教學：

（2）實驗裝置在美觀性上有待完善。