PLC控制三相步進電動機

1、1 任務分析1.1分析控制對象三相步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進電機的輸出位移量與輸入脈沖個數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)（脈沖頻率）成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電相序，便可控制步進電機的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向。步進電機具有較好的控制性能，其啟動、停車、反轉(zhuǎn)及其它任何運行方式改變，都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，且可獲得較高的控制精度，因而得到了廣泛的應用。1.2三相步進電機的控制要求 三相的控制要求如下： 能對三相步進電動機的轉(zhuǎn)速進行控制； 可實現(xiàn)對三相步進電動機的正反轉(zhuǎn)控制； 能對三相

2、步進電動機的步數(shù)進行控制；2 方案設計在步進電動機控制系統(tǒng)中，步進電動機作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差的特點，廣泛應用于各種控制中，其控制主要有開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)控制。方案一：開環(huán)控制系統(tǒng)圖2.1 開環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖開環(huán)控制系統(tǒng)沒有使用位置、速度檢測裝置及反饋裝置，因此具有結構簡單、使用方便、可靠性高、制造成本低等優(yōu)點。另外，步進電動機受控于脈沖量，它比直流電機或交流電機組成的開環(huán)精度高，適用于精度要求不太高的機電一體化伺服傳動系統(tǒng)。方案二：半閉環(huán)控制系統(tǒng)圖2.2 半閉環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖半閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)試比較方便，并且具有很好的穩(wěn)定性，不過精度不太高，較少使用。方案

3、三：閉環(huán)控制系統(tǒng)圖2.3 閉環(huán)步進電動機控制系統(tǒng)框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)定位精度高，但調(diào)試和維修都較困難，系統(tǒng)復雜，成本高。綜合三種方案，根據(jù)步進電動機的特點，從制造成本與系統(tǒng)結構復雜程度考慮，本設計采用方案一，在開環(huán)控制系統(tǒng)中，用PLC控制三相步進電動機。3 步進電動機的選擇現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電動機，永磁性步進電動機，混合式步進電動機和單相式步進電動機。永磁式步進電動機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反應式步進電動機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電動機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁

4、導的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。混合式步進電動機是指混合了永磁式和反應式的特點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度，而五相步進角一般為0.72度，這種步進電動機的應用也較為廣泛。由于本設計用PLC控制三相步進電動機，故選用36BF02型反應式步進電動作為控制對象，三相步進電動的步距角為/ 。此電機有如下特點：1反應式步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。 2反應式步進電機外表允許的最高溫度在攝氏80-90度。 3反應式步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降 4反應式步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。 此外，步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載

5、情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。4 三相反應式步進電機工作原理三相反應式電動機工作原理:反應式步進電動機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞組，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子錯開0，（相鄰兩個轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距，以表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開，C與齒3向右錯開，（與A是同一電極）與齒5相對齊，圖3-1所示是反應式步進電機定轉(zhuǎn)子的展開圖。圖3-1 反應式步進電機

6、定轉(zhuǎn)子展開圖如果A相通電，B、C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，轉(zhuǎn)子不受任何力；如果B相通電，A、C相不通電，則齒2應與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移動，齒3與C偏移，齒4與A偏移；如果C相通電，A、B相不通電，則齒3應與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過，齒4與偏移；繼續(xù)進行下去，A相通電，B、C相不通電，則齒4與對齊，轉(zhuǎn)子又向移過。這樣經(jīng)過A，B，C，A分別通電狀態(tài)，齒4移到A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距。如果不斷地按A，B，C，A，通電，電機就每步，向右旋轉(zhuǎn)。按A，C，B，A，通電，電機就反轉(zhuǎn)。由此可見，電機的位置和速度由通電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率決定，而方向由通電順序決定。不過，出于對力矩、平穩(wěn)

7、、噪聲及減小角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A這種通電狀態(tài)，這樣將原來每步改變?yōu)?。因此本設計采用PLC控制三相六拍步進電動機，來實現(xiàn)電機的速度、正反轉(zhuǎn)、以及步數(shù)的控制。5 硬件的設計5.1確定I/O點數(shù) PLC的輸入信號有9個，包括啟動開關、電機慢速、中快和快速控制按紐，正反轉(zhuǎn)控制開關，電機單步、10步和100步按紐開關，以及暫停開關。 PLC的輸出信號有三個，即三個輸出繼電器。 根據(jù)I/O端子的數(shù)量和種類，選擇FX2-32MR PLC機一臺。5.1.1畫系統(tǒng)框圖圖5-1 PLC控制步進電機系統(tǒng)框圖控制面板上的位置按紐控制移動的距離，速度按紐控制移動的速度，方向按鈕控制移

8、動的方向，啟/停按紐控制電機的啟動和暫停。在控制面板上設定移動距離、速度和方向等參數(shù)，PLC讀入這些設定值后，通過運算產(chǎn)生脈沖、方向信號，控制步進電機的驅(qū)動器，達到對距離、速度、方向控制的目的。5.1.2 I/O分配表表5.1 I/O分配表元 件I/O號信號定義元 件I/O號信號定義S0X0啟動SBX5單步S1X1慢速S6X610步S2X2中速S7X7100步S3X3快速S8X8100000步S4X4正反轉(zhuǎn)S9X10暫停SARUN5.2繪制I/O端子接線圖圖5-2 PLC I/O配置及接線圖5.3步進電機驅(qū)動電路PLC控制步進電機常用的形式有普通型通用PLC控制和PLC專用步進驅(qū)動模塊控制等兩

9、種，模塊式控制方式具有控制可靠性高的優(yōu)點，而通用PLC控制步進驅(qū)動系統(tǒng)具有PLC系統(tǒng)構成簡單。工程造價低等優(yōu)點，易于推廣應用。圖5-3所示為步進電機的驅(qū)動電路。圖5-3 步進電機驅(qū)動電路 圖5-3中僅為一相的驅(qū)動電路。其余三相與之相同在圖5-3中三極管T1起開關作用。當三極管截止時，無集電極電流流通，開關相當于斷開；當三極管飽和時，流過的集電極電流最大。開關相當于閉合，該開關“動作”可由加于基極的電流來控制。由T2、T3兩個三極管組成達林頓式功放電路，驅(qū)動步進電機的3個繞組使電機繞組的靜態(tài)電流達到近2A。電路中使用光電耦合器將控制和驅(qū)動信號隔離。當控制輸入信號為低電平時，T1截止，輸出高電平，

10、則紅外發(fā)光二極管截止，光敏三極管不導通因此繞組中無電流流過；當輸入信號為高電平時，T1飽和導通，于是紅外發(fā)光二極管被點亮，使光敏三極管導通，向功率驅(qū)動級晶體管提供基極電流使其導通，繞組被通以電流。6 軟件的設計三相步進電動機轉(zhuǎn)速的控制，分慢速、中速和快速三擋，分別通過開關S1、S2和S3選擇；正、反轉(zhuǎn)控制由開關S4選擇；步數(shù)控制分單步、10步和100步三擋，分別通過按紐SB、開關S6和S7選擇。6.1 PLC控制步進電機控制方法實現(xiàn)6.1.1轉(zhuǎn)速控制 由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生不同周期T的控制脈沖，通過脈沖控制器的選擇，再通過三相六拍環(huán)形分配器使三個輸出繼電器Y0、Y1和Y2按照單雙六拍的通電方式接通，

11、其接通順序為：該過程對應于三相步進電動機的通電順序是：選擇不同的脈沖同期T，可以獲得不同頻率的控制脈沖，從而實現(xiàn)對步進電動機的調(diào)速。6.1.2正反轉(zhuǎn)控制 步進電機的正反轉(zhuǎn)控制可通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向，三相六拍步進電機通電順序為A-AB-B-BC-C-CA-A時電機正轉(zhuǎn)；當繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A順序通電時電機反轉(zhuǎn)。因此，可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)形分配器的輸出順序，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進電機繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。即通過正反轉(zhuǎn)驅(qū)動環(huán)節(jié)（調(diào)換相序），改變Y0、Y1和Y2接通的順序，以實現(xiàn)步進電動機的正反轉(zhuǎn)控制。正轉(zhuǎn)： 反轉(zhuǎn)：6.1.3

12、步數(shù)控制步進電機每輸入一個電脈沖就前進一步，其輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比。因此可以根據(jù)步進電機的輸出位移量確定PLC輸出的脈沖個數(shù)，即可實現(xiàn)對步進電機的步數(shù)控制。 式中為步進電機的輸出位移量（mm），d為機構的脈沖當量（mm/脈沖）。 本設計通過脈沖計數(shù)器，控制六拍時序脈沖數(shù)，以實現(xiàn)對步進電動機步數(shù)的控制。6.2設計梯形圖PLC控制三相六拍步進電機的梯形圖如圖6-1所示 圖6-1 三相六拍步進電動機控制的梯形圖6.2.1轉(zhuǎn)速控制過程1、選擇慢速（接通S1），接通啟動開關S0，脈沖控制器產(chǎn)生同期為1s的控制脈沖，使M0至M5狀態(tài)隨脈沖向右移動，產(chǎn)生六拍時序脈沖，并通過三相六拍環(huán)形分配器使Y

13、0、Y1和Y2按照單雙六拍的通電方式接通，步進電機開始慢速步進運行。2、選擇中速（接通S2），接通啟動開關S0，脈沖控制器產(chǎn)生同期為0.5s的控制脈沖，使M0至M5狀態(tài)隨脈沖向右移動，產(chǎn)生六拍時序脈沖，并通過三相環(huán)形分配器使Y0、Y1和Y2按照單雙六拍的通電方式接通，步進電機開始中速步進運行。3、選擇快速（接通S3），接通啟動開關S0，脈沖控制器產(chǎn)生同期為0.2s的控制脈沖，使M0至M5狀態(tài)隨脈沖向右移動，產(chǎn)生六拍時序脈沖，并通過三相環(huán)形分配器使Y0、Y1和Y2按照單雙六拍的通電方式接通，步進電機開始快速步進運行。6.2.2正反轉(zhuǎn)控制過程 先接通正、反轉(zhuǎn)開關S4，再重復上述轉(zhuǎn)速控制操作。6.2

14、.3步數(shù)控制過程選擇慢速（接通S1），選擇10步（接通S6），接通啟動開關S0，六拍時序脈沖及三拍六拍環(huán)形分配器開始工作，計數(shù)器開始計數(shù)。當走完預定步數(shù)時，計數(shù)器動作，其常閉觸點斷開移位驅(qū)動電路，六拍時序脈沖、三相六拍環(huán)形分配器及正反轉(zhuǎn)驅(qū)動環(huán)節(jié)停止工作，步進電動機停轉(zhuǎn)。選擇快速（接通S3），選擇100步（接通S7），接通啟動開關S0，六拍時序脈沖及三拍六拍環(huán)形分配器開始工作，計數(shù)器開始計數(shù)。當走完預定步數(shù)時，計數(shù)器動作，其常閉觸點斷開移位驅(qū)動電路，六拍時序脈沖、三相六拍環(huán)形分配器及正反轉(zhuǎn)驅(qū)動環(huán)節(jié)停止工作，步進電動機停轉(zhuǎn)。6.3調(diào)試運行程序?qū)D6-1轉(zhuǎn)換成表6.1的程序，將該程序?qū)懭隤LC的RA

15、M，并調(diào)試運行該程序。表6.1 PLC控制三相步進電動機程序0 LDI T0 1 OUT TO K104 LDI T15 OUT T1 K58 LDT T29 OUT T2 K212 LD X00513 PLS M1115 LD X00116 OR X00317 ANI T418 OUT T3 K121 LD T322 AND X00323 OUT T4 K126 LD T427 OUT T2 K230 LD X00131 ORI T332 AND T033 LD T334 AND T135 ORB 36 LD T437 AND T238 ORB39 OR M1140 OUT M2041 LD

16、 X00042 ANI M143 ANI M244 ANI M345 ANI M446 ANI M547 OUT M1048 LD M2049 ANI X01050 ANI C051 ANI C152 ANI C353 SFTR M10 M0 K6 K162 LD M563 OR M064 OR M165 OUT M10066 LD M167 OR M268 OR M369 OUT M10170 LD M371 OR M472 OR M573 OUT M10274 LD XOO475 AND M10076 LDI X00477 AND M10178 ORB79 OUT Y00080 LD X0

17、0481 AND M10182 LDI X00483 AND M10084 ORB85 OUT Y00186 LD M10287 OUT Y00288 LD X00689 AND M2090 OUT C0 K1093 LDI X00698 OUT C1 K100101 LD X007102 RST C1104 LD X011105 AND M20106 OUT M30107 LD M30108 OUT C2 K500111 LD C2112 RST C2114 LD C2115 AND M20116 OUT C3 K200119 LDI X011120 RST C3122 END 結 論PLC

18、控制三相六拍步進電機的方法簡單易行，可靠性高。由于采用了PLC控制步進電機技術，所以改變控制參數(shù)相當方便， 只需改變PLC程序中相應部分即可。對任何相數(shù)的步進電機都可以使用，在設計方法上簡單易行減少占用PLC的I/O口，與PLC接口時比較方便，這樣在PLC控制步進電機的控制系統(tǒng)中不僅減少了控制系統(tǒng)設計的工作量、大大縮短開發(fā)研制周期和節(jié)約了開發(fā)費用而且提高了控制系統(tǒng)的柔性和可靠性，具有較高的推廣和實用價值。參 考 文 獻1 吳麗主編.電氣控制與PLC實用教程.鄭州：黃河水利出版社，2005.22 高欽和編著.可編程控制器應用技術與設計實例.北京：人民郵電出版社，2004.73 齊占慶主編.機床電氣控制技術.3版.北京：機械工業(yè)出版社，19