步進(jìn)電機(jī)PLC的直接控制

1、引言

步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)變換成角位移的數(shù)字電磁執(zhí)行裝置。步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向均可采用數(shù)字量（脈沖）控制，故步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)字伺服領(lǐng)域。圖1表示了步進(jìn)電機(jī)的典型應(yīng)用。

圖1　步進(jìn)電機(jī)的典型應(yīng)用

圖中，輸入信號(hào)是由伺服系統(tǒng)中的傳感器產(chǎn)生的。指令脈沖控制器決定于具體的伺服控制過程?？刹捎脤Ｓ眠壿嬰娐?，目前多用單片微型計(jì)算機(jī)及接口電路組成。環(huán)形分配器是將輸入的單一脈沖串按工作方式和轉(zhuǎn)向分別依次向連接到步進(jìn)電機(jī)各相繞組的功率放大器分配脈沖，以便形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。環(huán)形脈沖分配器多采用專用集成電路如CH250等構(gòu)成。由此形成的各相的微弱信號(hào)經(jīng)各相的功率放大器放大，產(chǎn)生足夠的電磁轉(zhuǎn)矩使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。圖中各部分的設(shè)計(jì)、選型、連接往往要求控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者花費(fèi)大量的精力和勞動(dòng)。接口信號(hào)的匹配以及元器件的質(zhì)量等對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性影響很大。

2、一種用PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)的方法

本文提出一種用可編程序控制器（PLC）直接控制步進(jìn)電機(jī)的方法，如圖2所示。這條技術(shù)路線的優(yōu)點(diǎn)是：大大減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量，不存在各部分接口信號(hào)的匹配問題，提高系統(tǒng)的可靠性。整個(gè)控制系統(tǒng)由PLC和步進(jìn)電機(jī)組成。作為一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)PLC的功能越來越強(qiáng)。不僅僅可用于開關(guān)邏輯控制，還可用于閉環(huán)過程控制，并可與其它計(jì)算機(jī)組成多級(jí)控制系統(tǒng)。有了PLC的強(qiáng)大功能的支持，各種不同控制系統(tǒng)的不同指令脈沖控制器的任務(wù)均可用PLC的不同控制程序來完成。對(duì)于環(huán)形脈沖分配器和功率放大器的功能則對(duì)PLC提出兩個(gè)特性要求。一是在此應(yīng)用的PLC最好是具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫芝或更高。其目的是使環(huán)形脈沖分配能有較高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。二是PLC本身的輸出端口應(yīng)該采用大功率晶體管，以滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。應(yīng)該指出的是采用繼電器或可控硅做輸出端口的PLC，即使軟件環(huán)形脈沖分配能達(dá)到高速要求，但由于輸出端口器件難以高速導(dǎo)通和關(guān)斷直流電源，不能向步進(jìn)電機(jī)各相繞組提供驅(qū)動(dòng)脈沖電流，故不能用于步進(jìn)電機(jī)的PLC直接控制。對(duì)于滿足一、二兩個(gè)要求的PLC，如美國(guó)IPM公司的IP1612DC-220可編程序控制器，可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行直接控制。

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圖2　步進(jìn)電機(jī)的PLC直接控制

筆者已成功地將這種方法用于ZXJ1000-C型預(yù)應(yīng)力復(fù)合制袋自動(dòng)生產(chǎn)線的切袋誤差自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)中。系統(tǒng)將傳感器測(cè)得的袋長(zhǎng)誤差信號(hào)由PLC的輸入端口送入，如圖3所示。根據(jù)誤差與補(bǔ)償?shù)乃惴?，由PLC的程序自動(dòng)算出步進(jìn)電機(jī)應(yīng)補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)角步數(shù)，并由環(huán)形分配程序通過輸出端口Y9、Y10、Y11進(jìn)行環(huán)形脈沖分配，從而控制接到步進(jìn)電機(jī)三相繞組的48V直流電源的依次通、斷，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)再經(jīng)機(jī)械差速器疊加到主傳動(dòng)鏈中，使袋長(zhǎng)誤差得以補(bǔ)償。由于步進(jìn)電機(jī)是電感性負(fù)載，直流電阻很小，故接限流電阻以免脈沖電流過大損壞PLC端口，即Y9、Y10、Y11所對(duì)應(yīng)的大功率晶體管。當(dāng)Y9、Y10、Y11所對(duì)應(yīng)的大功率晶體管按：Y9-Y9Y10-Y10-Y10Y11-Y11－Y11Y9-Y9……依次導(dǎo)通、斷開時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。按：Y9-Y9Y11-Y11-Y11Y10-Y10-Y10Y9-Y9……依次導(dǎo)通、斷開時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。即步進(jìn)電機(jī)按三相六拍工作。每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)走一步，環(huán)形脈沖分配程序的步數(shù)減一，當(dāng)步數(shù)減為零時(shí)，停止環(huán)形脈沖分配，等待下一次測(cè)量誤差的輸入。

圖3　具體應(yīng)用圖

3、結(jié)束語(yǔ)

采用PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)功能完善、靈活性大、可靠性高。該生產(chǎn)線已獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)。特別強(qiáng)調(diào)的是采用PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)的方法，減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量、能大大縮短開發(fā)研制周期，在一定范圍內(nèi)，有較高的推廣和實(shí)用價(jià)值。