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基于PLC的四相步进电机控制方法及实现

时间:2007-07-11   来源:   作者:王登贵 杨中平   点击:……  字体大小:【

1 引言
    步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比,其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)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。所以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。步进电机具有较好的控制性能,其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改
变,都在少数脉冲内完成,且可获得较高的控制精度,因而得到了广泛的应用

2 PLC的特点及应用
    可编程序控制器fProgrammable Logic Controller)简称PLC,是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的,并逐渐发展成以微处理器为核心,把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。它具有可靠性高、环境适应性好、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等优点,因此迅速普及并成为当代工业自动化的支柱设备之一。

2.1高可靠性
    PLC所有的I/O接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离;各输入端均采用RC滤波器,其滤波时间常数一般为10~20ms;各模块均采用屏蔽措施,以防止辐射干扰;采用性能优良的开关电源:具有良好的自诊断功能.一旦电源或其他软、硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大;简化编程语言,对信息进行保护和恢复.设置警戒时钟WDT;对程序和动态
数据进行电池后备。上述措施使PLC有高的可靠性。而采用循环扫描工作方式也提高其抗干扰能力。

2.2通用性强、采用模块化结构
    各个PLC的生产厂家都有各种系列化产品和各种模块供用户选择。用户可以根据控制对象的规模和控制要求,选择合适的PLC产品,组成所需要的控制系统。在做应用设计时,一般不需要用户制作任何附加装置.从而能使设计工作简化。为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外。绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件。包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模
块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合且扩充方便、组合灵活。
    此外PLC具有丰富的I/O接口模块、编程简单易学、手段多;安装简单、维修方便;速度快等特点,是“机电一体化”特有的产品。

2.3 PLC的应用领域
    PLC在工业自动化领域起着举足轻重的作用.在国内外已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。实践证明80% 以上的工业控制可以使用PLC来完成。PLC可用于逻辑顺序控制、过程控制、运动及位置控制、数据处理、通信联网等。使用PLC可实现步进电机的控制.可使步进电机动作的抗干扰能力强、可靠性高。

2 步进电机的控制原理
2.1四相步进电机的控制要求:
(1)能对四相步进电机的转速进行控制;
(2)可实现对四相步进电机的正反转控制;
(3)能对四相步进电机的步数进行控制。

2.2运动速度的控制
    步进电机的转速取决于输入的脉冲频率。从图1可以看出,当改变输入脉冲的周期时,ABCD四相绕组高低电平的宽度将发生变化。这就导致通电和断电变化的速率发生变化,使电机转速发生变化。所以调节输入脉冲的周期就可以控制步进电机的运动速度。
 
2.3正、反转控制
    步进电机的正、反转控制可通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向,四相双四拍步进电机通电顺为AB—BC—CD—DA—AB……时电机正转;当绕组按AD—DC—CB—BA—AD……顺序通电时电机反转.因此,可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序,或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。

2.4步数控制
    步进电机每输入一个电脉冲就前进一步,其输出的角位移与输入的脉冲数成正比。因此可以根据步进电机的输出位移量确定PLC输出的脉冲个数,即可实现对步进电机的步数控制。
n=△L/δ
式中△L为步进电机的输出位移量(mm),δ为机构的脉冲当量(mm/脉冲)。

3 PLC控制系统的设计
    步进电机控制的最大特点是开环控制,不需要反馈信号。因为步进电机的运动不产生旋转量的误差累积。本系统PLC选用三菱FX2—32MR。其控制系统如图2所示。
  
根据要求I/O分配见表1。

4 步进电机电路
4.1步进电机驱动电路
    PLC控制步进电机常用的形式有普通型通用PLC控制和PLC专用步进驱动模块控制等两种,模块式控制方式具有控制可靠性高的优点,而通用PLC控制步进驱动系统具有PLC系统构成简单。工程造价低等优点,易于推广应用。图3所示为步进电机的驱动电路。

    图3中仅为一相的驱动电路。其余三相与之相同.在图3中三极管T1起开关作用。当三极管截止时,无集电极电流流通,开关相当于断开;当三极管饱和时,流过的集电极电流最大。开关相当于闭合,该开关“动作”可由加于基极的电流来控制。由T2、T3两个三极管组成达林顿式功放电路,驱动步进电机的4个绕组.使电机绕组的静态电流达到近2A。电路中使用光电耦合器将控制和驱动信号隔离。当控制输入信号为低电平时,T1截止,输出高电平,则红外发光二极管截止,光敏三极管不导通.因此绕组中无电流流过;当输入信号为高电平时,T1饱和导通,于是红外发光二极管被点亮,使光敏三极管导通,向功率驱动级晶体管提供基极电流.使其导通,绕组被通以电流。

4.2 步进电机的PLC控制方法及程序设计梯形图(部分)
(1)、转速控制
    由脉冲发生器产生不同周期T的控制脉冲,通过脉冲控制器的选择,再通过环形分配器使四个输出继电器Y0、Y1、Y2和Y3按照双四拍的通电方式接通。
(2)、正、反转控制
    通过正、反转驱动环节(调换相序),改变Y0、Y1、Y2和Y3接通的顺序.以实现步进电机的正、反转控制。即
 
(3)、步数控制
    通过脉冲计数器,控制四拍时序脉冲数.以实现对步进电机步数的控制。
    系统控制步进电机的梯形图(部分)如图4所示。
 

5 结束语
    本文作者创新点是用PLC控制四相双四拍步进电机的方法简单易行,可靠性高。由于采用了PLC控制步进电机技术,所以改变控制参数相当方便, 只需改变PLC程序中相应部分即可。对任何相数的步进电机都可以使用,在设计方法上简单易行.减少占用PLC的I/O口,与PLC接口时比较方便,这样在PLC控制步进电机的控制系统中不仅减少了控制系统设计的上作量、大大缩短开发研制周期和节约了开发费用.而且提高了控制系统的柔性和可靠性,具有较高的推广和实用价值。


Tags:PLC   步进电机   四相控制    
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