PLC控制步进电机设计研究

1、PLC控制步进电机设计研究 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。论文在简要介绍步进电机的工作原理和控制原则之后,对采用可编程控制器(PLC)对步进电机进行控制的设计方法进行了介绍。给出了控制系统的硬件、软件设计方法。实际应用表明的设计的有效性。    关键词:可编程控制器;步进电机;电机控制    中图分类号:TM571.61文献标志码:B文章编号:1009-3044(2007)10-21029-01         

2、               Study on Controlling Steppnig Motors wtih PLC                            &#

3、160;         LIU Juan                         (Fujian Sangang Group,Sanming 365000,China)Abstract:Stepping motor is a kind of motor with hig

4、h control accuracy,and has been employed extensively in industries.In this paper,after a brief introduction to the operating principle of the stepping motor,the scheme for controlling stepping motor with programmable logic controller(PLC),both the hardware design and software design,is discussed in

5、detail.The effectiveness of the control system is proofed in practice.Key words:Programmable logic controller;stepping motor;motor control;PLC1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

6、的输出位移量、速度和转向。这使得步进电机具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点,已成为运动控制领域的主要执行元件之一。步进电机是机电一体化的关键产品,广泛应用在各种自动化控制系统和机电一体化设备中。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个行业的控制领域都将有广泛应用。   可编程控制器(Programmable Logic Controller,通常称PLC)是一种工业控制计算机,具有模块化结构、配置灵活、高速的处理速度、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性能,能充分适应工业环境,简单易懂,操作方便,可靠性高,是

7、目前广泛应用的控制装置之一1,2。PLC对步进电机也具有良好的控制能力,利用其高速脉冲输出功能或运动控制功能,即可实现对步进电机的控制。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。    本文中,我们将对采用PLC来进行步进电机的设计研究进行介绍。并以三菱的FX2系列PLC为例,讨论步进电机的PLC控制系统的硬件和软件设计方法。2步进电机工作原理与控制  2.1步进电机工作原理和特性    步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的执行机构。由于受脉冲的控制,其转子

8、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。   总结来说,步进电机主要具有以下一些工作特性:(1)输入脉冲数严格和电机的角位移成正比,电机运转一周后没有积累误差,因此具有良好的跟随特性;(2)由于其良好的跟随特性,步进电机可以与驱动器电路组成开环数字控制系统,同时,也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统。(3)步进电机的动态响应快,易于启动和停止、正反转和变速。(4)速度可以在相当

9、宽的范围内平滑调节;在低速动作状态下仍能保证获得大的转矩。  2.2步进电机脉冲频率变化规律    系统设计中我们采用的步进电机为0.6°步距角的三相步进电机。步进电机在启动和停止时有一个加速及减速过程,且加速速度越小则冲击越小,动作越平稳,所以步进电机工作一般要经历以下的变化过程: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,所以输入步进电机的脉冲频率也要经历一个类似的变化过程,其变化规律如图1所示。可见在步进电机启动时要使脉冲升频,停车时使脉冲降频3。     可见在步进电机启

10、动时要使脉冲升频,停车时使脉冲降频。由于步进电机驱动器在输入脉冲200 Hz时处于震荡区内,容易损坏内部元件,而在200 Hz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。  2.3步进电机的控制原则   步进电机的控制和驱动方法很多,按照使用的控制装置可分为:普通集成电路控制、单片机控制、工控机控制、PLC控制等几种;按照控制结构可分为:硬脉冲生成器硬脉冲分配结构、软脉冲生成器软脉冲分配器结构、软脉冲生成器硬脉冲分配器结构。由于步进电机具有无累积误差、跟踪性能好的优点,步进电机的控制以组成开环控制系

11、统居多4。   基于PLC的步进电机控制的控制原则如下。步进电机能作出响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”;与此类似,“停止频率”是指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。而电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应。有了这些数据,就能有效地对步进电机进行变速控制。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及其相应的功能模块。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。3 步进电机PLC控制系统的硬件设计  3.1控制系统结

12、构  设计中,步进电机PLC控制方案其系统结构如图2所示。系统硬件部分由控制面板、PLC控制器、驱动器、步进电机等组成。上位机是个人计算机,作为控制面板、人机交互界面和控制软件编制环境,通过与PLC的通信,实现操作监控功能;控制器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。因为设计的步进电机控制系统中要求手动盘车功能,在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴,这时要利用驱动器的脱机信号功能,使电机脱机,进行手动操作或调节;手动完成后,再将脱机信号去除,以继续自动控制。   3.2硬件选型原则    (1)步进电机:步进

13、电机有步距角、静力矩、电流三大要素组成。根据负载的控制精度要求选择步距角大小,根据负载的大小确定静力矩,静力矩一经确定根据电机矩频特性曲线来判断电机的电流。一旦三大要素确定,步进电机的型号便确定下来了。    (2)驱动器:遵循先选电机后选驱动的原则,电机的相数、电流大小是驱动器选择的决定性因素;在选型中,还要根据PLC输出信号的极性来决定驱动器输入信号是共阳极或共阴极。为了改善电机的运行性能和提高控制精度,通常通过选择带细分功能的驱动器来实现,目前驱动器的细分等级有8倍、16倍、32倍、64倍等,最高可达256倍细分。在实际应用中,应根据控制要和步进电机的特性选

14、择合适的细分倍数,以达到更高的速度和更大的高速转矩,使电机运转精度更高,振动更小5。    (3)PLC:运用PLC控制步进电机时,应该保证PLC具有高速脉冲输出功能,通过选择具有高速脉冲输出功能或专用运动控制功能的模块来实现。设计中,根据选型原则和功能要求,我们采用的步进电机为0.6°步距角的三相步进电机,PLC为三菱的FX2系PLC。   3.3硬件连接   按照系统控制要求,系统IO硬件连接如图3所示(部分)。图中,CP为脉冲信号输入端子,CW为方向信号输入端子,N为使能信号输入端子。4步进电机PL

15、C控制系统的软件设计   步进电机控制程序可以采用提醒图语言或者指令语言等进行编制,控制程序在上位机中编制、调试和编译后,即可下载到PLC中。如图4所示为一个电机控制梯形图(部分)。    对于上位机接口软件的编制,选择查询方式来进行数据接收,完成一次传送过程的步骤是:执行一条输入指令,读取FIFO当前的状态,判断外设处于“准备就绪”状态或者“未准备就绪”状态,进行相应步骤程序执行。上位机向微处理器发送命令或数据时,通过ISA总线,将传输的数据锁存,同时向PLC微处理器发出中断请求。PLC微处理器响应中断请求后,接收数据。5结束语    利用PLC可方便地实现对电机的速度和位置进行控制,可靠地实现各种步进电机的操作,完成各种复杂的工作。PLC控制方法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