PLC控制的步進電機門系統(tǒng)

羅恒年

廣州市機電技師學院 廣東廣州 510370

PLC控制的步進電機門系統(tǒng)

羅恒年

廣州市機電技師學院 廣東廣州 510370

隨著人們生活水平的不斷提高，電梯的應用越來越廣泛，同時對電梯運行性能的要求也越來越高，這其中包括可靠性和安全性方面的要求。門機系統(tǒng)是電梯系統(tǒng)中維修量最多的部分，其性能的好壞直接影響電梯的整體效果。在用的絕大多數(shù)門機系統(tǒng)主要通過改變直流電動機的電樞回路的電壓實現(xiàn)開關門速度的變化，這種調(diào)速度方法需要串、并聯(lián)電阻，造成能源的浪費；開關門速度的變化需要通過凸輪通斷限位開關，容易出現(xiàn)故障，這種門機系統(tǒng)可靠性差、維修量大、效率較低。因此，電梯從業(yè)人員不斷嘗試各種先進的技術應用于門機系統(tǒng)，以提高門系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。本設計介紹一種新型的門機控制系統(tǒng)PLC控制的步進電機門系統(tǒng)。

門機系統(tǒng)；PLC；步進電機

一、電梯門系統(tǒng)的作用和要求

電梯門系統(tǒng)起隔離轎廂與井道、層站與井道以及供乘客和物品進出轎廂的作用，是為了防止乘客和物品墜入井道或轎廂內(nèi)乘客和物品與井道相撞而發(fā)生事故。電梯門系統(tǒng)是電梯的重要安全保護裝置。

電梯門機系統(tǒng)除了能自動開、關電梯門，還應具有自動調(diào)速的功能，以避免在開、關門終端時發(fā)生撞擊。為了滿足開、關門快速及開、關門終端又不發(fā)生撞擊的要求，電梯在開、關門過程中應具有合理的速度變化，其開、關門的速度變化過程分解后應是：

1.開門過程：要求實現(xiàn)“慢—快—慢—?！钡拈_門過程。開門過程的速度變化曲線如圖1所示。

2.關門過程：要求實現(xiàn)“快—慢—更慢—?！钡年P門過程。關門過程的速度變化曲線如圖2所示。

圖1 開門過程的速度變化曲線

圖2 關門過程的速度變化曲線

二、電梯門系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及技術分析

現(xiàn)時國內(nèi)正在使用的電梯門系統(tǒng)，絕大多數(shù)是20世紀80年代后期的定型產(chǎn)品，該系統(tǒng)是一種有級調(diào)速的直流拖動系統(tǒng)，使用很多機械位置式的電氣開關，開、關門傳動機構(gòu)比較復雜。

這種電梯門系統(tǒng)存在以下缺點：

1.直流電動機內(nèi)部的直流換向器和炭刷容易磨損；采用機械位置式開關改變直流電動機速度的方式屬于有級調(diào)速。

2.改變電動機電樞回路的電阻實現(xiàn)開關門速度控制的方式，由于運行過程中需要不斷切換電樞回路的電阻，機械位置式開關容易損壞，動作不靈敏，可靠性差；采用電阻降壓調(diào)速的方式造成能源的白白浪費。

3.開、關門電氣控制電路中的繼電器和自動門鎖部分的電氣聯(lián)鎖使用一段時間后其觸點往往會接觸不良。

由于電梯在運行過程中，轎廂每次?？繕菍?，門系統(tǒng)都要進行多次的開、關動作，造成這種門系統(tǒng)出現(xiàn)故障的幾率較高。如何使電梯門系統(tǒng)運行可靠、性能穩(wěn)定，既是各電梯廠家研究的重點，也是電梯教學的重點部分。

為了改善以上電梯門系統(tǒng)存在的缺點，需要尋找一種性能穩(wěn)定、容易進行調(diào)速控制的電動機代替直流電動機，并采用先進的控制方式，使開關門更準確、可靠、舒適。

PLC控制的步進電機門系統(tǒng)采用步進電機代替直流電動機，步進電動機由于采用脈沖信號驅(qū)動，反應靈活，位移控制準確，并且用PLC控制技術對步進電機進行數(shù)字控制，可以克服直流門機系統(tǒng)的缺點。

三、步進電動機的工作原理

步進電動機是一種將電的脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移(或線位移)的機電元件，通俗地講，就是外加一個脈沖信號給步進電動機，它就運動一步，其運動形式是步進的，故稱步進電動機。一般電動機都是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進電動機則有定位和運轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當有脈沖信號輸入時，步進電動機根據(jù)脈沖信號一步一步地轉(zhuǎn)動，每給它一個脈沖信號，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。

控制步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)成正比，在時間上與輸入脈沖同步；步進電動機的轉(zhuǎn)子速度取決于脈沖信號的頻率；步進電動機的旋轉(zhuǎn)方向決定于交流電的相序；因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。

四、步進電動機的特點

步進電動機可以直接將電脈沖信號變換成相應的機械位移，符合數(shù)字控制系統(tǒng)的要求，此外，步進電動機還有一系列的特點和優(yōu)點，例如：（1）步距值不受各種干擾因素的影響，如電壓的大小、電流的數(shù)值、波形、溫度的變化等等，相對來說，都不影響步距值，也就是說，轉(zhuǎn)子運動的速度主要取決于總的脈沖信號數(shù)；（2）誤差不長期積累。每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差為零，所以步距的誤差不是長期地累積下去的；（3）控制性能好。起動、停止、反轉(zhuǎn)及其他任何運行方式的改變，都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，在一定的頻率范圍內(nèi)運行，任何運行方式都不會丟失一步。

步進電動機由于它獨特的優(yōu)點，作為伺服電動機應用于控制系統(tǒng)時，往往可以使系統(tǒng)簡化，工作可靠，成本低，而且獲得較高的控制精度。

五、PLC控制的步進電機門系統(tǒng)

在PLC控制的步進電機門系統(tǒng)中，用步進電機代替原系統(tǒng)的直流電動機，用PLC機代替原系統(tǒng)的電氣開關，對步進電動機進行控制。

在本系統(tǒng)中，PLC是控制裝置，根據(jù)設定的程序產(chǎn)生相應的脈沖個數(shù)（如4脈沖或6脈沖）、控制脈沖的輸出速度及脈沖的相序，從而達到控制步進電動機的加速、減速、正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)。脈沖的輸出個數(shù)可以通過控制PLC機內(nèi)置計數(shù)器的參數(shù)獲得，脈沖的輸出速度可以通過控制PLC機內(nèi)置定時器的參數(shù)獲得，編寫PLC程序時對定時器、計數(shù)器進行設置、調(diào)試，可以滿足門系統(tǒng)的控制要求。

PLC的優(yōu)點是功耗小，體積小，功能強大，價格便宜，可以安裝在轎門上方，而且可以通過反饋的脈沖檢測門系統(tǒng)的運行狀況，從而將不同的故障用數(shù)字形式顯示，減少查找故障的時間，節(jié)省維修保養(yǎng)的成本。

在本系統(tǒng)中，步進電動機是控制裝置。給步進電動機通入直流電，當步進電動機接收到一個脈沖信號，步進電動機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進角）。通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，實現(xiàn)對開、關門位移的控制；同時通過控制脈沖的頻率，實現(xiàn)對步進電動機轉(zhuǎn)動的速度和加速度大小的調(diào)節(jié)，從而達到調(diào)速的目的?？刂茊挝粫r間內(nèi)提供給步進電機的脈沖數(shù)目，就可以實現(xiàn)開、關門時速度的變化時刻和門速的變化，讓開關門的速度曲線更加平滑，從而改良傳統(tǒng)門機系統(tǒng)臺階式變化的速度曲線，使開、關門更柔和。本系統(tǒng)可實現(xiàn)開、關門的準確定位及速度控制，使開、關門過程的工作更可靠，穩(wěn)定性強，從而減少電梯運行過程中門機系統(tǒng)的故障率。

步進電動機的接線原理比較簡單，圖3是四相六線制步進電動機的接線原理圖，這種步進電動機既可作為四相電動機使用，也可以作為兩相電動機使用，變換靈活，因此這種電動機得到廣泛的應用。在圖中總共有6條線，A+，A-和0+組成一個線圈，B+，B-，和0-組成另一個線圈。0+，0-分別是2個線圈的地線，A+，A-，B+，B-則是4個相線。

圖3 四相六線制步進電動機原理圖

在上圖中，步進電動機的0+與0-是連接在一起的公共端，既可作為直流電的正極輸入端，也可作為直流電的負極輸入端。假如公共端接直流電的負極，如果要步進電動機正轉(zhuǎn)，脈沖輸出見表1，在表中，共有4個時序，在每一個時序內(nèi)，只有一相為高電平脈沖，其余相都是低電平脈沖，經(jīng)歷四個時序后，繼續(xù)循環(huán)變化。如果每個時序使步進機轉(zhuǎn)1.8度，則旋轉(zhuǎn)1周，則需要200個脈沖。每個時序所用時間越短，則步進電動機的轉(zhuǎn)速越快。如果要步進電動機反轉(zhuǎn)，則將表1中的接線順序由A+，B+，A-，B-變?yōu)锽-，A-，B+，A+就可以實現(xiàn)（見表2）。

表1

表2

圖4 本次設計使用的步進電動機的外型圖

1.本系統(tǒng)的接線圖

圖5 PLC輸入、輸出接線圖

圖6 步進電動機脈沖信號輸入的接線圖

步進電動機正轉(zhuǎn)時繼電器的導通順序：

2.本系統(tǒng)的控制程序

（1）PLC的I/O分配見表3：

表3

（2）PLC控制程序：

3.PLC控制的步進電機門系統(tǒng)的優(yōu)點

(1)PLC機的采用，可以使系統(tǒng)工作穩(wěn)定，達到節(jié)能，減少查找故障的時間，節(jié)省維修保養(yǎng)的成本。

(2)步進電動機的采用，使系統(tǒng)簡化，工作可靠，成本低，能獲得較高的控制精度。

(3)定時器、計數(shù)器的選用，能精確控制及定位，滿足開、關門的調(diào)速需求，可克服機械調(diào)速所出現(xiàn)的機械磨損、接觸不良及誤動作等故障，大大減少維修量。

(4)采用數(shù)字控制技術，實現(xiàn)無級調(diào)速，使開、關門更舒適。

六、本系統(tǒng)要著重解決的兩個問題

在設置脈沖信號的頻率參數(shù)時，要注意步進電動機的起動頻率不能超過其空載頻率，否則步進電動機就不能起動；而且速度越快，步進機的轉(zhuǎn)矩越小，所以在設置定時器、計數(shù)器的參數(shù)時，要考慮步進電動機的空載頻率和啟動轉(zhuǎn)矩。

本系統(tǒng)中，步進電動機采用直流電源供電，對此直流電源的要求很高，其電壓的波動范圍不能超過步進電動機允許的電壓值，否則在啟動和制動時，使步進電動機誤把電壓的波動當作是脈沖信號，造成多余的動作，影響控制精確。另外，直流電源的電流值要足夠大，否則步進電動機只能進行沒有“力”的運行（不是不能運行）。

PLC控制的步進電機門系統(tǒng)是一種新型的門機系統(tǒng)，是新技術應用于門機系統(tǒng)的體現(xiàn)，是一個大膽的嘗試。這種門系統(tǒng)還需要進行多方面的改善，以便更好地為電梯運行作出貢獻。

[1]葉安麗.電梯控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008

[2]鐘肇新，范建東.可編程控制器原理及應用[M].廣東：華南理工大學出版社，2003

[3]譚維瑜.電機與電氣控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004

PLC-controlled stepper motor door system

Luo Hengnian
Guangzhou electromechanical technician college，Guangzhou，510370，China

With the continuous improvement of people's living standard, the application of elevator is getting more and more extensive while the elevator operating performance requirements are getting higher and higher,which includes reliability and safety requirements. Since door system is the largest part in the amount of elevator systems’maintenance, its performance will affect the overall performance of the elevator.Therefore, in order to enhance the stability of the door system operation, employees have been trying to apply various advanced technology to door system. This design is aimed to introduce a new type of elevator door control system-PLC-controlled stepper motor door system.

door system; PLC; stepper motor

2010-04-08

羅恒年,本科，講師。