论文PLC控制步进电机.doc

PLC控制步进电机的设计 潍坊市技师学院高密分院 代玉杰 山东省高密市供电公司 王召华摘要：步进电机是一种控制精度极高的电机，在工业上有着广泛的应用。PLC具有抗干扰能力强，可靠性极高、编程方便等显著优点。本论文在简要介绍步进电机的工作原理和控制原则之后，采用可编程控制器对步进电机进行控制的设计方法，以三菱公司FX2N-48MT型PLC为例，分析如何用PLC指令软件编程实现对步进电机的定位、速度控制。关键词：可编程控制器、步进电机、电机控制一、前言步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或直线位移的执行元件。在非超载的情况下，步进电机的转速与单位时间内输入的脉冲数（即脉冲频率）成正比，其输出位移与输入脉冲个数成正比、其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。因此，只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差、转子惯量低、定位精度高、控制简单等特点，使得步进电机成为速度、位置等运动控制领域的主要执行元件之一。可编程序控制器（通称PLC）是一种工业控制计算机，以微处理器为核心，具有模块化结构、配置灵活、高速处理速度、精确的数据处理能力、多种控制功能、网络技术和优越的性价比等，集计算机技术、自动控制技术于一体的一种新型的工业控制装置。它具有可靠性高、抗干扰能力强，编程简单易学，可进行在线修改，使用维护方便，体积小、重量轻、功耗低，设计施工周期短等优点，是目前广泛应用的控制装置之一。PLC对步进电机也具有良好的控制能力，利用PLC控制步进电机，其脉冲分配可以由软件实现，也可由硬件组成。二、步进电机的工作原理与控制我们以最常见的三相反应式步进电动机说明其工作原理。齿距：设转子的齿数是40，则齿距为E=360/40=9错位：当A相定子齿和转子齿对齐，若和A相磁极中心对齐的转子齿为1号齿，因B相磁极与A相磁极差120 ，且120/9 =13（1/3），故转子齿不能与B相定子齿对齐，只有13号小齿靠近B相磁极的中心线，与中心线相差3。细分：主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度。如：步进角为1.8 两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45 ，电机的精度能否达到或接近0.45 ，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。方向：电机旋转方向和内部绕组的通电顺序有关 正向旋转通电顺序：A-B-C-A-B-C反向旋转通电顺序：A-C-B-A-C-B因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运行方式。三相步进电动机还有两种通电方式，它们分别是双三拍运行，即按ABBCCAAB顺序循环通电的方式，以及单、双六拍运行，即按AABBBCCCAA顺序循环通电的方式。六拍运行时的步矩角将减小一半。步距角： b=360/NEr式中 Er转子齿数； N运行拍数，N=km，m为步进电动机的绕组相数，k=1或2。可见，步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转变为角位移或直线位移的执行元件。由于受脉冲的控制，其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，通过控制脉冲数量来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的；通过改变通电顺序，从而达到改变电机旋转方向的目的。三、步进电机脉冲频率变化规律步进电机在启动和停止时有一个加速及减速过程，且加速度越小则冲击就越小，动作越平稳，一般要经历：加速-恒速（高速）-减速-恒速（低速）-停止，因步进电机转速与脉冲频率成正比，故输入步进电机的脉冲频率也要有类似的变化过程，由于步进电机驱动器在输入脉冲200Hz时处于震荡区内，易损坏内部元件，而在200Hz以下运转速度较慢，效率较低，故一般采用350Hz作为脉冲的低频起点，经测试，轻载时高频脉冲可达到6.8kHz。四、基于PLC的步进电机的控制原则步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，上位机是个人计算机，作为控制面板、控制软件编制环境，通过与PLC的通信，实现操作监控功能：PLC发出脉冲、方向信号，通过驱动器控制步进电机的运行状态。指令启动频率：步进电机能作出响应而不失步的最高步进频率。停止频率：系统控制信号突然关断步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应，采用PLC控制步进电机，应根据下式计算系统的脉冲当量、脉冲频率上限和最大脉冲数量，进而选择PLC及相应的功率模块。根据脉冲频率可以确定PLC高速脉冲输出时需要的频率，根据脉冲数量可以确定PLC的位宽。五、举例说明PLC控制步进电机的方案1、控制系统的硬件设计I/O接线由于计算机和PLC等控制器发出的脉冲信号微弱，达不到能够直接驱动步进电机的功率，所以必须是PLC通过功率驱动器来控制步进电机。2、PLC脉冲环形分配软件的实现 用软件代替硬件实现脉冲的环形分配，是PLC直接控制步进电机的关键技术之一。本例中PLC控制步进电机旋转台。所用PLC为FX2N-48MT，属于晶体管输出型，其输出端Y0、Y1均可产生高速脉冲 ，其频率为10KHZ以下。采用可调速脉冲输出指令“DPLSR”，通过PLC的Y1输出端产生脉冲给步进电机驱动器，驱动步进电机M按升降速方式运行。而步进电机则驱动蜗轮蜗杆。可调速脉冲输出指令“DPLSR”可控制步进电机按升降速方式运行，其使用方法如下 ： X10S1S2S3 DDPLSR工作频率 （HZ）总脉冲数（PLS）升降速时间 （ms）Y0或Y1 其中：S1的设定范围为：1020000HZ ； S2的设定范围为：1102，147，483，647PLS（因为DPLSR 为32 位运算指令） ； S3的设定范围为：500ms以下 ； D的规定：（1）只能为Y0或Y1 ； （2）一定为晶体管输出 PLC控制步进电机旋转台程序如图4所示，当常开触点X0变为常闭触点时，线圈Y30通电，驱动器启动。当X1的常开触点接通后，辅助继电器M2通电，驱动器向步进电机发送频率为500HZ的12800个脉冲，线圈Y1和Y2通电，旋转台正转。当X2的常开触点接通后，辅助继电器M1、M2通电，此时M1的常闭触点变为常开触点，驱动器向步进电机发送脉冲，线圈Y1通电而线圈Y2断电，旋转台反转。 PLC控制步进电机旋转台梯形图是在原有的程序中加入一个计数器C200,由特殊辅助继电器M8200进行控制。当特殊辅助继电器M8200接收到的脉冲为“0”时，计数器C200进行加计数；当M8200接收到的脉冲为“1”时，计数器C200进行减计数。当X1的常开触点接通后，旋转台正转，M8200接收到的脉冲为“0”，C200加计数；当X2的常开触点接通后，旋转台反转，M8200通电，接收到的脉冲为“1”，C200减计数。通过这样一个程序，我们能更直观的观察到旋转台所进行的运动，也可以更方便的看到驱动器向步进电机发出的脉冲数，从而更快的计算出步进电机所旋转的圈数。六、结束语利用