步進電機的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

1、一、引言    隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進的發(fā)展，其功能已遠遠超出了邏輯控制、順序控制的范圍，它與計算機有效結(jié)合，可進行模擬量控制，具有遠程通信功能等。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采用了典型的計算機結(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)部邏輯運算或其它各種運算、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行調(diào)節(jié)，其輸出頻率范

3、圍為360Hz5kHz。    (2) 高速計數(shù)器（HSC）    FP1內(nèi)部有高速計數(shù)器，可同時輸入兩路脈沖，最高計數(shù)頻率為10kHz，計數(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)機械抖動帶來的不可靠性，其延時時間可根據(jù)需要進行調(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、步進電機的速度控制    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電機的時鐘脈沖，經(jīng)驅(qū)動器產(chǎn)生節(jié)拍脈沖，控制步進電機運轉(zhuǎn)。同時Y7接至PLC的輸入接

5、點X0，并經(jīng)X0送至PLC內(nèi)部的HSC。HSC計數(shù)Y7的脈沖數(shù)，當達到預(yù)定值時發(fā)生中斷，使Y7的脈沖頻率切換至下一參數(shù)，從而實現(xiàn)較準確的位置控制。實現(xiàn)這一控制的梯形圖見圖5。圖5 控制梯形圖    控制系統(tǒng)的運行程序：第一句是將DT9044和DT9045清零，即為HSC進行計數(shù)做準備;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，所以當執(zhí)行到這一步時脈沖停止，于是電機停轉(zhuǎn)。故當運行此程序時即可使步進電機按照規(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現(xiàn)對電機速度和位置的控制，方便可靠地進行各種步進電機的操作，完成各種復雜的工作。它代表了先進的工業(yè)自動化革命，加速了機電一體化的實摘要：在PLC步進電機控制系統(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電動機的角位移和轉(zhuǎn)速，在給步進電機的各線圈繞組輸入脈沖時需要進行脈沖分配器分配脈沖，脈沖分配可以由軟件進行設(shè)計，也可以由硬件組成。以O(shè)MRON的C系列P型機為例，討論步進電機的PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計方法。關(guān)鍵詞：可編程控制器（PLC）；步進電動機；接線圖；梯形圖在對傳統(tǒng)機床的數(shù)控化改造中，用可編程控制器PLC作為控制器對機床電氣控制系統(tǒng)的改造越來越突出。其主要部分是對數(shù)控機床的典型執(zhí)行元件步進電機的控制。我們知道步進電機是一種用電脈沖進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的電機，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

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電動機的角位移和轉(zhuǎn)速，但給步進電動機的各線圈繞組輸入的脈沖還需要進行脈沖分配器的分配。利用PLC控制步進電動機，其脈沖分配可以由軟件進行設(shè)計，還可以由硬件來組成。本文作者以O(shè)MRON的C系列P型機為例，討論步進電動機用軟件分配脈沖的設(shè)計方法。一、步進電動機PLC控制系統(tǒng)I/O接線圖設(shè)計步進電動機以最常用的三相六拍通電方式工作，并要求步進電動機設(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進行控制并設(shè)計出步進電動機的PLC控制系統(tǒng)I/O接線圖（圖1）。圖1 步進電動機的PLC控制系統(tǒng)I/

9、O接線圖二、步進電動機PLC控制系統(tǒng)梯形圖設(shè)計據(jù)控制要求設(shè)計了PLC控制系統(tǒng)梯形圖見圖2。圖2 步進電動機的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實現(xiàn)步進電動機的正反轉(zhuǎn)驅(qū)動控制。當正

10、反轉(zhuǎn)按鈕SB5常開時，輸入點0005斷開，步進電動機的通電順序為：0500（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）.，此時步進電動機正轉(zhuǎn);按SB5時，輸入點0005接通，則通電次序是BB、AAA、CCC、BB.，此時電機反轉(zhuǎn)。按SB1起動銨鈕時，輸入點0001接通，步進電動機可以實現(xiàn)三相六拍通電。（4）脈沖控制器由1105、1106、1107組成。步進電動機的脈沖頻率控制按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控制步進電機的實例(圖與程序 ·采用絕對位置控制指令(DRVA)，大致闡述FX1S控制步進電機的方法。由于水平有限，本實例采用非專業(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電機的較好選擇！·PLS+，PLS-為步進驅(qū)動器的脈沖信號端子，DIR+，DIR-為步進驅(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的位置，原點位置數(shù)據(jù)存放于32位寄存器D8140里。當機械位于我們設(shè)定的原點位置時用程序把D8140的值清零，也就確定了原點的位置。·實例動作方式：X0閉合動作到A點停止，X1閉合動作到B點停止，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，實用需改善。)·說明：·在原點時將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。當正轉(zhuǎn)動作到A點時，D8140的值是3000。此時閉

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

14、3000)閉合X1，則機械反轉(zhuǎn)3000個脈沖停止，也就是停在了左邊距離B點3000的位置(圖中未畫出)，D8140的值為-6000。     ·一般兩相步進電機驅(qū)動器端子示意圖：·FREE+，F(xiàn)REE-：脫機信號，步進電機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。而當有脫機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-分別接步進電機的兩相線圈。  此主題相關(guān)圖片如下：此主題相關(guān)圖片如下

15、：步進電機開環(huán)伺服機構(gòu)應(yīng)用1  概  述 在組合機床自動線中，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。可編程控制器（簡稱PLC）以其通用性強、可靠性高、指令系統(tǒng)簡單、編程簡便易學、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，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制中。特別是在組合機床自動生產(chǎn)線的控制及CNC機床的S、T、M功能控制更顯示出其卓越的性能。PLC控制的步進電機開環(huán)伺服機構(gòu)應(yīng)

16、用于組合機床自動生產(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) 一般組合機床自動線中的數(shù)控滑臺采用步進電機驅(qū)動的開環(huán)伺服機構(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、步進電機驅(qū)動器、步進電機和伺服傳動機構(gòu)等部分組成，伺服傳動機構(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，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）來實現(xiàn)；而數(shù)控滑臺的行程則采用數(shù)字控制來實現(xiàn)。由數(shù)控滑臺的結(jié)構(gòu)可知，滑臺的行程正比于步進電機的總轉(zhuǎn)角，因此只要控制步進電機的總轉(zhuǎn)角即可。由步進電機的工作原理和特性可知步進電機的總轉(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伺服機構(gòu)的位移量（mm）d 伺服機構(gòu)的脈沖當量（mm/脈沖）3.2  進給速度控制 伺服機構(gòu)的進給

19、速度取決于步進電機的轉(zhuǎn)速，而步進電機的轉(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伺服機構(gòu)的進給速度(mm/min)3.3  進給方向控制 進給方向控制即步進電機的轉(zhuǎn)向控制。步進電機的轉(zhuǎn)向可以通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向;如三相步進電機通電順序

20、為A-AB-B-BC-C-CA-A時步進電機正轉(zhuǎn);當繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A順序通電時步進電機反轉(zhuǎn)。因此可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序來實現(xiàn)，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)。4  PLC的軟件控制邏輯 由滑臺的PLC控制方法可知，應(yīng)使步進電機的輸入脈沖總數(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)置一脈沖計數(shù)器C10。當脈沖數(shù)達到設(shè)定值時，計數(shù)器C10動作切斷脈沖發(fā)生器回路，使其停止工作。伺服機構(gòu)的步進電機無脈沖輸入時便停止運轉(zhuǎn)，伺服執(zhí)行機構(gòu)定位。當伺服執(zhí)行機構(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40006000Hz。對于自動線上的一般伺服機構(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  步進電機控制系統(tǒng)的組成 步進電機的控制系統(tǒng)由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器和步進電機功率驅(qū)動器組成，控制系統(tǒng)中PLC用來產(chǎn)生控制脈沖；通