步進電機PLC的直接控制

1、引言

步進電機是一種將脈沖信號變換成角位移的數(shù)字電磁執(zhí)行裝置。步進電機的角位移與輸入脈沖個數(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電機的各相繞組的相序有關(guān)。由于步進電機的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向均可采用數(shù)字量（脈沖）控制，故步進電機廣泛應用于數(shù)字伺服領(lǐng)域。圖1表示了步進電機的典型應用。

圖1　步進電機的典型應用

圖中，輸入信號是由伺服系統(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。可采用專用邏輯電路，目前多用單片微型計算機及接口電路組成。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電機各相繞組的功率放大器分配脈沖，以便形成旋轉(zhuǎn)磁場。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)矩使電動機旋轉(zhuǎn)。圖中各部分的設(shè)計、選型、連接往往要求控制系統(tǒng)的設(shè)計者花費大量的精力和勞動。接口信號的匹配以及元器件的質(zhì)量等對整個系統(tǒng)的可靠性影響很大。

2、一種用PLC直接控制步進電機的方法

本文提出一種用可編程序控制器（PLC）直接控制步進電機的方法，如圖2所示。這條技術(shù)路線的優(yōu)點是：大大減少系統(tǒng)設(shè)計的工作量，不存在各部分接口信號的匹配問題，提高系統(tǒng)的可靠性。整個控制系統(tǒng)由PLC和步進電機組成。作為一種工業(yè)控制計算機PLC的功能越來越強。不僅僅可用于開關(guān)邏輯控制，還可用于閉環(huán)過程控制，并可與其它計算機組成多級控制系統(tǒng)。有了PLC的強大功能的支持，各種不同控制系統(tǒng)的不同指令脈沖控制器的任務均可用PLC的不同控制程序來完成。對于環(huán)形脈沖分配器和功率放大器的功能則對PLC提出兩個特性要求。一是在此應用的PLC最好是具有實時刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號的頻率可以達到數(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，充分利用步進電機的速度響應能力，提高整個系統(tǒng)的快速性。二是PLC本身的輸出端口應該采用大功率晶體管，以滿足步進電機各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動要求。應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)形脈沖分配能達到高速要求，但由于輸出端口器件難以高速導通和關(guān)斷直流電源，不能向步進電機各相繞組提供驅(qū)動脈沖電流，故不能用于步進電機的PLC直接控制。對于滿足一、二兩個要求的PLC，如美國IPM公司的IP1612DC-220可編程序控制器，可以對步進電機進行直接控制。

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圖2　步進電機的PLC直接控制

筆者已成功地將這種方法用于ZXJ1000-C型預應力復合制袋自動生產(chǎn)線的切袋誤差自動補償系統(tǒng)中。系統(tǒng)將傳感器測得的袋長誤差信號由PLC的輸入端口送入，如圖3所示。根據(jù)誤差與補償?shù)乃惴ǎ蒔LC的程序自動算出步進電機應補償?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進行環(huán)形脈沖分配，從而控制接到步進電機三相繞組的48V直流電源的依次通、斷，形成旋轉(zhuǎn)磁場，使步進電機轉(zhuǎn)動。步進電機的轉(zhuǎn)動再經(jīng)機械差速器疊加到主傳動鏈中，使袋長誤差得以補償。由于步進電機是電感性負載，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所對應的大功率晶體管。當Y9、Y10、Y11所對應的大功率晶體管按：Y9-Y9Y10-Y10-Y10Y11-Y11－Y11Y9-Y9……依次導通、斷開時，步進電機正轉(zhuǎn)。按：Y9-Y9Y11-Y11-Y11Y10-Y10-Y10Y9-Y9……依次導通、斷開時，步進電機反轉(zhuǎn)。即步進電機按三相六拍工作。每當步進電機走一步，環(huán)形脈沖分配程序的步數(shù)減一，當步數(shù)減為零時，停止環(huán)形脈沖分配，等待下一次測量誤差的輸入。

圖3　具體應用圖

3、結(jié)束語

采用PLC直接控制步進電機的誤差補償系統(tǒng)功能完善、靈活性大、可靠性高。該生產(chǎn)線已獲得國家科技進步獎。特別強調(diào)的是采用PLC直接控制步進電機的方法，減少了系統(tǒng)設(shè)計的工作量、能大大縮短開發(fā)研制周期，在一定范圍內(nèi)，有較高的推廣和實用價值。