步進(jìn)電機(jī)的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、一、引言    隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制、順序控制的范圍，它與計(jì)算機(jī)有效結(jié)合，可進(jìn)行模擬量控制，具有遠(yuǎn)程通信功能等。有人將其稱為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（即PLC，機(jī)器人，CAD/CAM）之一。目前可編程序控制器（Programmable Controller）簡稱PLC已廣泛應(yīng)用于冶金、礦業(yè)、機(jī)械、輕工等領(lǐng)域，為工業(yè)自動化提供了有力的工具。    二、PLC的基本結(jié)構(gòu)    PLC采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要包括CPU、RAM、ROM和

2、輸入/輸出接口電路等。如果把PLC看作一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)由輸入變量-PLC-輸出變量組成，外部的各種開關(guān)信號、模擬信號、傳感器檢測的信號均作為PLC的輸入變量，它們經(jīng)PLC外部端子輸入到內(nèi)部寄存器中，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯運(yùn)算或其它各種運(yùn)算、處理后送到輸出端子，它們是PLC的輸出變量，由這些輸出變量對外圍設(shè)備進(jìn)行各種控制。    三、控制方法及研究    1、FP1的特殊功能簡介    (1) 脈沖輸出    FP1的輸出端Y7可輸出脈沖，脈沖頻率可通過軟件編程進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出頻率范

3、圍為360Hz5kHz。    (2) 高速計(jì)數(shù)器（HSC）    FP1內(nèi)部有高速計(jì)數(shù)器，可同時輸入兩路脈沖，最高計(jì)數(shù)頻率為10kHz，計(jì)數(shù)范圍-8388608+8388607。     (3) 輸入延時濾波    FP1的輸入端采用輸入延時濾波，可防止因開關(guān)機(jī)械抖動帶來的不可靠性，其延時時間可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為1ms128ms。    (4) 中斷功能    FP1的中斷有兩種類型，一種是外部

4、硬中斷，一種是內(nèi)部定時中斷。    2、步進(jìn)電機(jī)的速度控制    FP1有一條SPD0指令，該指令配合HSC和Y7的脈沖輸出功能可實(shí)現(xiàn)速度及位置控制。速度控制梯形圖見圖1，控制方式參數(shù)見圖2，脈沖輸出頻率設(shè)定曲線見圖3。圖1 速度控制梯形圖圖2 控制方式參數(shù)圖3 脈沖輸出頻率設(shè)定曲線    3、控制系統(tǒng)的程序運(yùn)行圖4 控制系統(tǒng)原理圖    圖4是控制系統(tǒng)的原理接線圖，圖4中Y7輸出的脈沖作為步進(jìn)電機(jī)的時鐘脈沖，經(jīng)驅(qū)動器產(chǎn)生節(jié)拍脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。同時Y7接至PLC的輸入接

5、點(diǎn)X0，并經(jīng)X0送至PLC內(nèi)部的HSC。HSC計(jì)數(shù)Y7的脈沖數(shù)，當(dāng)達(dá)到預(yù)定值時發(fā)生中斷，使Y7的脈沖頻率切換至下一參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的位置控制。實(shí)現(xiàn)這一控制的梯形圖見圖5。圖5 控制梯形圖    控制系統(tǒng)的運(yùn)行程序：第一句是將DT9044和DT9045清零，即為HSC進(jìn)行計(jì)數(shù)做準(zhǔn)備;第二句第五句是建立參數(shù)表，參數(shù)存放在以DT20為首地址的數(shù)據(jù)寄存器區(qū);最后一句是啟動SPD0指令，執(zhí)行到這句則從DT20開始取出設(shè)定的參數(shù)并完成相應(yīng)的控制要求。    由第一句可知第一個參數(shù)是K0，是PULSE方式的特征值，由此規(guī)定了輸出方式。第二個參數(shù)

6、是K70，對應(yīng)脈沖頻率為500Hz，于是Y7發(fā)出頻率為500Hz的脈沖。第三個參數(shù)是K1000，即按此頻率發(fā)1000個脈沖后則切換到下一個頻率。而下一個頻率即最后一個參數(shù)是K0，所以當(dāng)執(zhí)行到這一步時脈沖停止，于是電機(jī)停轉(zhuǎn)。故當(dāng)運(yùn)行此程序時即可使步進(jìn)電機(jī)按照規(guī)定的速度、預(yù)定的轉(zhuǎn)數(shù)驅(qū)動控制對象，使之達(dá)到預(yù)定位置后自動停止。    三、結(jié)束語    利用可編程序控制器可以方便地實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度和位置的控制，方便可靠地進(jìn)行各種步進(jìn)電機(jī)的操作，完成各種復(fù)雜的工作。它代表了先進(jìn)的工業(yè)自動化革命，加速了機(jī)電一體化的實(shí)摘要：在PLC步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，

7、輸入到其線圈繞組中的脈沖數(shù)或脈沖頻率可控制步進(jìn)電動機(jī)的角位移和轉(zhuǎn)速，在給步進(jìn)電機(jī)的各線圈繞組輸入脈沖時需要進(jìn)行脈沖分配器分配脈沖，脈沖分配可以由軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以由硬件組成。以O(shè)MRON的C系列P型機(jī)為例，討論步進(jìn)電機(jī)的PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：可編程控制器（PLC）；步進(jìn)電動機(jī)；接線圖；梯形圖在對傳統(tǒng)機(jī)床的數(shù)控化改造中，用可編程控制器PLC作為控制器對機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的改造越來越突出。其主要部分是對數(shù)控機(jī)床的典型執(zhí)行元件步進(jìn)電機(jī)的控制。我們知道步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖進(jìn)行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)每輸入一個電脈沖就前進(jìn)一步，其輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正

8、比，因此只要控制輸入到其線圈繞組中的脈沖數(shù)或者脈沖頻率即可控制步進(jìn)電動機(jī)的角位移和轉(zhuǎn)速，但給步進(jìn)電動機(jī)的各線圈繞組輸入的脈沖還需要進(jìn)行脈沖分配器的分配。利用PLC控制步進(jìn)電動機(jī)，其脈沖分配可以由軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，還可以由硬件來組成。本文作者以O(shè)MRON的C系列P型機(jī)為例，討論步進(jìn)電動機(jī)用軟件分配脈沖的設(shè)計(jì)方法。一、步進(jìn)電動機(jī)PLC控制系統(tǒng)I/O接線圖設(shè)計(jì)步進(jìn)電動機(jī)以最常用的三相六拍通電方式工作，并要求步進(jìn)電動機(jī)設(shè)有快速、慢速控制、正反轉(zhuǎn)及單步控制4種控制方式。根據(jù)要求，可選用C28PCDTD的PLC進(jìn)行控制并設(shè)計(jì)出步進(jìn)電動機(jī)的PLC控制系統(tǒng)I/O接線圖（圖1）。圖1 步進(jìn)電動機(jī)的PLC控制系統(tǒng)I/

9、O接線圖二、步進(jìn)電動機(jī)PLC控制系統(tǒng)梯形圖設(shè)計(jì)據(jù)控制要求設(shè)計(jì)了PLC控制系統(tǒng)梯形圖見圖2。圖2 步進(jìn)電動機(jī)的PLC控制系統(tǒng)梯形圖（1）用移位寄存器SFT1010的10001005產(chǎn)生六拍的時序脈沖，在CP端的移位脈沖信號1106的作用下，將IN端的信號依次移入10001005，每移1位為1拍，6拍為1循環(huán)，移位時所產(chǎn)生的時鐘脈沖頻率由移位脈沖信號頻率決定。（2）輔助繼電器1200、1201、1202組成三相六拍環(huán)形分配器。在10001005產(chǎn)生的六拍時序脈沖作用下，1200、1201、1202的通電順序見圖3。圖3通電順序（3）由0500、0501、0502實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)驅(qū)動控制。當(dāng)正

10、反轉(zhuǎn)按鈕SB5常開時，輸入點(diǎn)0005斷開，步進(jìn)電動機(jī)的通電順序?yàn)椋?500（A相）0500、0501（A、B相）0501（B相）0501、0502（B、C相）0502（C相）0502、0500（C、A相）0500（A）.，此時步進(jìn)電動機(jī)正轉(zhuǎn);按SB5時，輸入點(diǎn)0005接通，則通電次序是BB、AAA、CCC、BB.，此時電機(jī)反轉(zhuǎn)。按SB1起動銨鈕時，輸入點(diǎn)0001接通，步進(jìn)電動機(jī)可以實(shí)現(xiàn)三相六拍通電。（4）脈沖控制器由1105、1106、1107組成。步進(jìn)電動機(jī)的脈沖頻率控制按4種控制方式的要求可分為：快速方式由輔助繼電器1105的常閉接點(diǎn)和其線圈構(gòu)成的振蕩器，該振蕩器產(chǎn)生的快速振蕩脈沖，其周期

11、為程序的1個掃描周期;慢速方式由特殊繼電器1900產(chǎn)生011s的時鐘脈沖;單步方式利用前沿微分指令（DIFU），由輔助繼電器產(chǎn)生單步脈沖，其脈沖頻率由SB6控制;脈沖控制器1107產(chǎn)生不同頻率的脈沖，作為移位寄存器的移位信號。PLC控制步進(jìn)電機(jī)的實(shí)例(圖與程序 ·采用絕對位置控制指令(DRVA)，大致闡述FX1S控制步進(jìn)電機(jī)的方法。由于水平有限，本實(shí)例采用非專業(yè)述語論述，請勿引用。·FX系列PLC單元能同時輸出兩組100KHZ脈沖，是低成本控制伺服與步進(jìn)電機(jī)的較好選擇！·PLS+，PLS-為步進(jìn)驅(qū)動器的脈沖信號端子，DIR+，DIR-為步進(jìn)驅(qū)動器的方向信

12、號端子。·所謂絕對位置控制(DRVA),就是指定要走到距離原點(diǎn)的位置，原點(diǎn)位置數(shù)據(jù)存放于32位寄存器D8140里。當(dāng)機(jī)械位于我們設(shè)定的原點(diǎn)位置時用程序把D8140的值清零，也就確定了原點(diǎn)的位置。·實(shí)例動作方式：X0閉合動作到A點(diǎn)停止，X1閉合動作到B點(diǎn)停止，接線圖與動作位置示例如左圖(距離用脈沖數(shù)表示)。·程序如下圖：(此程序只為說明用，實(shí)用需改善。)·說明：·在原點(diǎn)時將D8140的值清零(本程序中沒有做此功能)·32位寄存器D8140是存放Y0的輸出脈沖數(shù)，正轉(zhuǎn)時增加，反轉(zhuǎn)時減少。當(dāng)正轉(zhuǎn)動作到A點(diǎn)時，D8140的值是3000。此時閉

13、合X1，機(jī)械反轉(zhuǎn)動作到B點(diǎn)，也就是-3000的位置。D8140的值就是-3000。·當(dāng)機(jī)械從A點(diǎn)向B點(diǎn)動作過程中，X1斷開(如在C點(diǎn)斷開)則D8140的值就是200，此時再閉合X0，機(jī)械正轉(zhuǎn)動作到A點(diǎn)停止。·當(dāng)機(jī)械停在A點(diǎn)時，再閉合X0，因?yàn)闄C(jī)械已經(jīng)在距離原點(diǎn)3000的位置上，故而機(jī)械沒有動作！  ·把程序中的絕對位置指令(DRVA)換成相對位置指令(DRVI)：·當(dāng)機(jī)械在B點(diǎn)時(假設(shè)此時D8140的值是-3000)閉合X0，則機(jī)械正轉(zhuǎn)3000個脈沖停止，也就是停在了原點(diǎn)。D8140的值為0·當(dāng)機(jī)械在B點(diǎn)時(假設(shè)此時D8140的值是-

14、3000)閉合X1，則機(jī)械反轉(zhuǎn)3000個脈沖停止，也就是停在了左邊距離B點(diǎn)3000的位置(圖中未畫出)，D8140的值為-6000。     ·一般兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器端子示意圖：·FREE+，F(xiàn)REE-：脫機(jī)信號，步進(jìn)電機(jī)的沒有脈沖信號輸入時具有自鎖功能，也就是鎖住轉(zhuǎn)子不動。而當(dāng)有脫機(jī)信號時解除自鎖功能，轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)并且不響應(yīng)步進(jìn)脈沖。·V+，GND：為驅(qū)動器直流電源端子，也有交流供電類型。·A+，A-，B+，B-分別接步進(jìn)電機(jī)的兩相線圈。  此主題相關(guān)圖片如下：此主題相關(guān)圖片如下

15、：步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)應(yīng)用1  概  述 在組合機(jī)床自動線中，一般根據(jù)不同的加工精度要求設(shè)置三種滑臺（1）液壓滑臺，用于切削量大，加工精度要求較低的粗加工工序中；（2）機(jī)械滑臺，用于切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中；（3）數(shù)控滑臺，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中?？删幊炭刂破鳎ê喎QPLC）以其通用性強(qiáng)、可靠性高、指令系統(tǒng)簡單、編程簡便易學(xué)、易于掌握、體積小、維修工作少、現(xiàn)場接口安裝方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制中。特別是在組合機(jī)床自動生產(chǎn)線的控制及CNC機(jī)床的S、T、M功能控制更顯示出其卓越的性能。PLC控制的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)應(yīng)

16、用于組合機(jī)床自動生產(chǎn)線上的數(shù)控滑臺控制，可省去該單元的數(shù)控系統(tǒng)使該單元的控制系統(tǒng)成本降低7090%，甚至只占用自動線控制單元PLC的35個I/O接口及<1KB的內(nèi)存。特別是大型自動線中可以使控制系統(tǒng)的成本顯著下降。2  PLC控制的數(shù)控滑臺結(jié)構(gòu) 一般組合機(jī)床自動線中的數(shù)控滑臺采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)。采用PLC控制的數(shù)控滑臺由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)和伺服傳動機(jī)構(gòu)等部分組成，伺服傳動機(jī)構(gòu)中的齒輪Z1、Z2應(yīng)該采取消隙措施，避免產(chǎn)生反向死區(qū)或使加工精度下降；而絲杠傳動副則應(yīng)該根據(jù)該單元的加工精度要求，確定是否選用滾珠絲杠副。采用滾珠絲杠副，具有

17、傳動效率高、系統(tǒng)剛度好、傳動精度高、使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高且不能自鎖。    3  數(shù)控滑臺的PLC控制方法 數(shù)控滑臺的控制因素主要有三個：3.1  行程控制 一般液壓滑臺和機(jī)械滑臺的行程控制是利用位置或壓力傳感器（行程開關(guān)/死擋鐵）來實(shí)現(xiàn)；而數(shù)控滑臺的行程則采用數(shù)字控制來實(shí)現(xiàn)。由數(shù)控滑臺的結(jié)構(gòu)可知，滑臺的行程正比于步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角，因此只要控制步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角即可。由步進(jìn)電機(jī)的工作原理和特性可知步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的控制脈沖個數(shù)；因此可以根據(jù)伺服機(jī)構(gòu)的位移量確定PLC輸出的脈沖個數(shù)：    

18、;                  n= DL/d                      （1）式中 DL伺服機(jī)構(gòu)的位移量（mm）d 伺服機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）3.2  進(jìn)給速度控制 伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給

19、速度取決于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率;因此可以根據(jù)該工序要求的進(jìn)給速度,確定其PLC輸出的脈沖頻率:f=Vf/60d   (Hz)                  (2)  式中 Vf伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度(mm/min)3.3  進(jìn)給方向控制 進(jìn)給方向控制即步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向可以通過改變步進(jìn)電機(jī)各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向;如三相步進(jìn)電機(jī)通電順序

20、為A-AB-B-BC-C-CA-A時步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A順序通電時步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。因此可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序來實(shí)現(xiàn)，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進(jìn)電機(jī)繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。4  PLC的軟件控制邏輯 由滑臺的PLC控制方法可知，應(yīng)使步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖總數(shù)和脈沖頻率受到相應(yīng)的控制。因此在控制軟件上設(shè)置一個脈沖總數(shù)和脈沖頻率可控的脈沖信號發(fā)生器；對于頻率較低的控制脈沖，可以利用PLC中的定時器構(gòu)成，如圖2所示。脈沖頻率可以通過定時器的定時常數(shù)控制脈沖周期，脈沖總數(shù)控制則可以設(shè)置一脈沖計(jì)數(shù)器C10。當(dāng)脈沖數(shù)達(dá)到設(shè)定值時，計(jì)數(shù)器C10動作切斷脈沖發(fā)生器回路，使其停止工作。伺服機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)無脈沖輸入時便停止運(yùn)轉(zhuǎn)，伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位。當(dāng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移速度要求較高時，可以用PLC中的高速脈沖發(fā)生器。不同的PLC其高速脈沖的頻率可達(dá)40006000Hz。對于自動線上的一般伺服機(jī)構(gòu)，其速度可以得到充分滿足。 5  伺服控制、驅(qū)動及接口 5.1  步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成 步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器和步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動器組成，控制系統(tǒng)中PLC用來產(chǎn)生控制脈沖；通