PLC直接控制步進電機方法

ID:107593 · 發表于 2016-3-6 21:27

1、引言
步進電機是一種將脈沖信號變換成角位移的數字電磁執行裝置。步進電機的角位移與輸入脈沖個數成正比，其轉速與脈沖頻率成正比，其轉向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關。由于步進電機的轉角、轉速和轉向均可采用數字量（脈沖）控制，故步進電機廣泛應用于數字伺服領域。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中的傳感器產生的。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。環形分配器是將輸入的單一脈沖串按工作方式和轉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，以便形成旋轉磁場。環形脈沖分配器多采用專用集成電路如CH250等構成。由此形成的各相的微弱信號經各相的功率放大器放大，產生足夠的電磁轉矩使電動機旋轉。圖中各部分的設計、選型、連接往往要求控制系統的設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量等對整個系統的可靠性影響很大。
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。這條技術路線的優點是：大大減少系統設計的工作量，不存在各部分接口信號的匹配問題，提高系統的可靠性。整個控制系統由PLC和步進電機組成。作為一種工業控制計算機PLC的功能越來越強。不僅僅可用于開關邏輯控制，還可用于閉環過程控制，并可與其它計算機組成多級控制系統。有了PLC的強大功能的支持，各種不同控制系統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的PLC，使輸出信號的頻率可以達到數千赫芝或更高。其目的是使環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十伏脈沖電壓、數安培脈沖電流的驅動要求。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斷直流電源，不能向步進電機各相繞組提供驅動脈沖電流，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線的切袋誤差自動補償系統中。系統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。根據誤差與補償的算法，由PLC的程序自動算出步進電機應補償的轉向與轉角步數，并由環形分配程序通過輸出端口Y9、Y10、Y11進行環形脈沖分配，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，形成旋轉磁場，使步進電機轉動。步進電機的轉動再經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。按：Y9-Y9Y11-Y11-Y11Y10-Y10-Y10Y9-Y9……依次導通、斷開時，步進電機反轉。即步進電機按三相六拍工作。每當步進電機走一步，環形脈沖分配程序的步數減一，當步數減為零時，停止環形脈沖分配，等待下一次測量誤差的輸入。

圖3　具體應用圖
3、結束語
采用PLC直接控制步進電機的誤差補償系統功能完善、靈活性大、可靠性高。該生產線已獲得國家科技進步獎。特別強調的是采用PLC直接控制步進電機的方法，減少了系統設計的工作量、能大大縮短開發研制周期，在一定范圍內，有較高的推廣和實用價值。

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