步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙光偉 張 帆 楊松立 王君普

（臨沂大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，山東 臨沂276000）

1 設(shè)計(jì)背景

《電氣控制與PLC》 是高校電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)方向課程，主要學(xué)習(xí)工廠電氣控制的基本理論和基本技術(shù)，包括傳統(tǒng)的繼電接觸器控制和現(xiàn)代PLC 控制兩大部分,是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，但是現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備大都很簡(jiǎn)單，主要是實(shí)驗(yàn)臺(tái)或?qū)嶒?yàn)箱，再加一臺(tái)微機(jī)作為編程設(shè)備，輸入輸出信號(hào)和設(shè)備都不是實(shí)際使用的設(shè)備，只能進(jìn)行模擬操作，不能進(jìn)行實(shí)際的接線(xiàn)，所以不能體驗(yàn)實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)。

為此擬設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套適用于電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化、電氣自動(dòng)化技術(shù)等專(zhuān)業(yè)的PLC 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練裝置， 加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

“步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”正是為了實(shí)現(xiàn)這一目的。項(xiàng)目以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為控制對(duì)象，以觸摸屏和數(shù)字撥碼盤(pán)作為速度輸入設(shè)備，以旋轉(zhuǎn)編碼器作為測(cè)量設(shè)備，精確調(diào)節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由PLC、觸摸屏、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)編碼器、珠絲桿滑臺(tái)等組成。

觸摸屏除進(jìn)行速度設(shè)定外，還同時(shí)顯示電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)編碼器用于實(shí)時(shí)測(cè)定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速， 并通過(guò)PLC 的PID 指令組成數(shù)字量閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滑臺(tái)做勻速、加速、減速的自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可分別通過(guò)觸摸屏和撥碼盤(pán)進(jìn)行設(shè)定。

3 硬件選擇

3.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇

步進(jìn)電機(jī)受脈沖信號(hào)的控制。它的直線(xiàn)位移量或角位移量與電脈沖數(shù)成正比， 所以電動(dòng)機(jī)的直線(xiàn)速度或轉(zhuǎn)速也與脈沖頻率成正比，通過(guò)改變脈沖頻率的高低就可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。由于電動(dòng)機(jī)受脈沖控制，它的步距角和轉(zhuǎn)速大小僅與脈沖頻率有關(guān)。 它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，在不失速的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。

本設(shè)計(jì)選用57BYG 系列兩相步進(jìn)電機(jī)57BYG501 作為被控對(duì)象， 額定電壓為直流24V， 額定電流為0.38A， 電阻為60Ω， 電感為120mH，轉(zhuǎn)矩為34.3N/CM。 它不僅能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求，而且更經(jīng)濟(jì)，性?xún)r(jià)比高。4 根引出線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)A+、A-、B+、B-?？捎脭?shù)字萬(wàn)用表通過(guò)測(cè)量電阻判別，有示數(shù)說(shuō)明是同相，否則反之。

3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接受PLC 發(fā)出的脈沖信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移，也就是步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器每接收一個(gè)脈沖信號(hào)，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比，控制脈沖信號(hào)的頻率，就可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確調(diào)速；控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，就可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確定位。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分就是把步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩角進(jìn)行細(xì)分，如57BYG 系列步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)矩角為0.9/1.8°，細(xì)分?jǐn)?shù)為10，轉(zhuǎn)矩角就變成0.09°，也就是步進(jìn)電機(jī)一步只能轉(zhuǎn)動(dòng)0.09°，是原來(lái)的十分之一。 通過(guò)細(xì)分，可以提高電機(jī)的分辨率，更精確的控制步進(jìn)電機(jī)的位置。

本設(shè)計(jì)選擇了一款與57BYG 系列電機(jī)相匹配的帶有細(xì)分功能的混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器SJ-2H30M5，驅(qū)動(dòng)器為2 相，最大電流3A，電壓DC 24-10V，細(xì)分?jǐn)?shù)2/5/10/40。

3.3 PLC 的選擇

PLC 是可編程控制器（Programmable Logic Controller）的簡(jiǎn)稱(chēng)。 它采用可編程的存儲(chǔ)器，用于儲(chǔ)存內(nèi)部程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算數(shù)操作等面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬量輸入輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。

由于本控制的信號(hào)輸出方式為高頻脈沖，所以選擇晶體管輸出方式的三菱FX2N-32MT-001 型號(hào)的PLC， 有16 點(diǎn)輸入、16 點(diǎn)輸出，內(nèi)置8K 容量的RAM 存儲(chǔ)器， 可連接輸入輸出擴(kuò)展模塊和特殊功能模塊，最高輸出頻率20KHz。

3.4 觸摸屏的選擇

觸摸屏由觸摸屏控制器和觸摸檢測(cè)裝置兩部分組成。觸控屏控制器的主要功能是接收在觸摸點(diǎn)檢測(cè)到的觸摸信息，并將信息以坐標(biāo)的形式傳送給CPU， 同時(shí)觸控屏控制器接收CPU 發(fā)來(lái)的命令并加以執(zhí)行；觸摸檢測(cè)裝置一般位于顯示器的前端，主要功能是檢測(cè)并傳送用戶(hù)的觸摸位置給觸控屏控制器。 觸摸屏有三大特性，一是透明性，觸摸屏的操作界面是透明的。 二是觸摸屏是絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)的特點(diǎn)是每一次的定位都是獨(dú)立的。 三是檢測(cè)觸摸并定位，每一次的觸摸，觸摸屏都會(huì)檢測(cè)到，并對(duì)觸摸點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)定位，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

本設(shè)計(jì)選用三菱F930GOT-BWD-C 型號(hào)的觸摸屏，有4.4 寸單色藍(lán)白液晶顯示器，厚度為49MM。 具有簡(jiǎn)易的背景燈光更換，保密功能、數(shù)據(jù)傳輸功能、時(shí)鐘功能等。

3.5 旋轉(zhuǎn)編碼器的選擇

旋轉(zhuǎn)編碼器是將角位移或直線(xiàn)位移進(jìn)行轉(zhuǎn)換的一種裝置，并以電信號(hào)的形式輸出，前者稱(chēng)為碼盤(pán)，后者稱(chēng)為碼尺。 根據(jù)讀出方式的不同，編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩類(lèi)。 采用電刷輸出方式的是接觸式， 用電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是 “1” 還是“0”；接收敏感元件是光敏元件或磁敏元件的是非接觸式，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”。

本設(shè)計(jì)選擇了歐姆龍E6A2-CW5C 型編碼器， 這是一款通用型、兩相輸出的編碼器，分辨率為200p/r,外徑φ25mm。 引出線(xiàn)4 根，其中黑線(xiàn)、白線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)A、B 兩相輸入，采用C251 高速計(jì)數(shù)器時(shí)，X0 對(duì)應(yīng)輸入端為A 相，X1 為B 相，褐色線(xiàn)對(duì)應(yīng)直流24V 正極，藍(lán)線(xiàn)對(duì)應(yīng)負(fù)極。

3.6 撥碼盤(pán)、滑臺(tái)

BCD 撥碼盤(pán)由撥碼盤(pán)和接線(xiàn)端子組成。 每個(gè)BCD 撥碼盤(pán)有4 根導(dǎo)線(xiàn)分別表示8421，一根公共端。撥碼盤(pán)可以表示數(shù)字0-9，是非常便捷的數(shù)字量輸入設(shè)備。

本設(shè)計(jì)使用一行程為600mm 的珠絲滑臺(tái)為控制對(duì)象，用聯(lián)軸器將步進(jìn)電機(jī)與滑臺(tái)珠絲桿聯(lián)接，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滑臺(tái)做勻速、加減速的自動(dòng)往返運(yùn)行。 滑臺(tái)兩端安裝有兩對(duì)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，一對(duì)用于自動(dòng)換向，當(dāng)滑塊觸碰到任意一個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，自動(dòng)換向；另一對(duì)用于終端保護(hù)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不能進(jìn)行換向而是繼續(xù)前行，那么滑塊只要觸碰任意一個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，整個(gè)系統(tǒng)將斷電停止工作。 旋轉(zhuǎn)編碼器在滑臺(tái)的另一端與步進(jìn)電機(jī)同軸安裝，以實(shí)時(shí)測(cè)算步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸給PLC 進(jìn)行處理，最后通過(guò)觸摸屏顯示。

4 電器布置與連接圖（圖1）

圖1

圖中輸入輸出繼電器的分配如下：X0 旋轉(zhuǎn)編碼器A 相，X1 旋轉(zhuǎn)編 碼 器B 相，X2、 X7 換 向，X3 啟 動(dòng)，X4 停 止，X5 加 速，X6 停 止，X10~X13 編碼盤(pán)（高位）8421，X14~X17 編碼盤(pán)（低位）8421；Y0 脈沖輸出，Y1 方向脈沖。

PLC 上電后，通過(guò)觸摸屏按下起動(dòng)按鈕，PLC 立即發(fā)出脈沖，通過(guò)輸出端口Y0 把脈沖序列傳送給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器立即驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滑臺(tái)上的滑塊做勻速的自由往返運(yùn)動(dòng)，觸碰到滑臺(tái)兩端任意一個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)SQ3、SQ4 后將換向。 與此同時(shí)，與滑臺(tái)同軸連接的旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)速， 并把測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)端口X0、X1傳輸給PLC，PLC 一方面進(jìn)過(guò)簡(jiǎn)單處理將電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出給觸摸屏顯示實(shí)時(shí)速度，另一方面，進(jìn)行PID 計(jì)算，調(diào)節(jié)脈沖頻率，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。按下加速或減速按鈕，步進(jìn)電機(jī)將在接下來(lái)的5S 內(nèi)做加速或減速運(yùn)動(dòng)。通過(guò)撥碼盤(pán)和觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的兩地控制， 在允許范圍內(nèi)，輸入任意數(shù)值，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)按照輸入的轉(zhuǎn)速勻速運(yùn)動(dòng)。