利用PLC控制步進電動機的啟動與停止

楊勝利

摘要：在一些小型設(shè)備和設(shè)計精度不高的設(shè)備中常常會用到步進電動機，如何讓步進電動機啟動和停止，是需要我們解決的問題，可以通過不同種方式完成對電機的控制。

關(guān)鍵詞：步進電動機 ?PLC ?步進驅(qū)動器 ?程序

2013年山東省高級技師實訓(xùn)操作試題一：運料小車由步進電動機控制。這說明步進電動機在一些控制精度不高的設(shè)備中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。例如：線切割、簡易自動生產(chǎn)線設(shè)備都使用步進電動機來完成設(shè)備的直線運動。

步進電動機是如何能夠旋轉(zhuǎn)的，步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)，一般電動機都是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而步進電機的轉(zhuǎn)動是一步一步進行的，每輸入一個脈沖電信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，通過改變脈沖頻率和數(shù)量，可實現(xiàn)步進電機的調(diào)速和控制轉(zhuǎn)動的角位移大小，具有較高的定位精度，其最小步距角可達0.75，轉(zhuǎn)動、停止、反轉(zhuǎn)反應(yīng)靈敏可靠。而步距角是每輸入一個電脈沖信號時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，步距角的大小可直接影響電機的運行精度。

步進電機的運行要有一電子裝置進行驅(qū)動，這種裝置就是步進電機驅(qū)動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，加以放大以驅(qū)動步進電機。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進電機脈沖信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速;控制步進脈沖的個數(shù)，可以對電機精確定位。整步：最基本的驅(qū)動方式，這種驅(qū)動方式的每個脈沖使電機移動一個基本步矩角。例如：標(biāo)準(zhǔn)兩相電機的一圈共有200個步矩角，則整步驅(qū)動方式下，每個脈沖可以使電機移動1.8°，而半步是在單相激磁時，電機轉(zhuǎn)軸停至整步位置上，驅(qū)動器收到下一個脈沖后，如給另一相激磁且保持原來相繼續(xù)處在激磁狀態(tài)，則電機轉(zhuǎn)軸將移動半個基本步矩角，停在相鄰兩個整步位置的中間。如此循環(huán)地對兩相線圈進行單相然后兩相激磁，步進電機將以每個脈沖半個基本步矩角的方式轉(zhuǎn)動。步進電機的相數(shù)是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°至1.8°、三相的為0.75°至1.5°、五相的為0.36°至0.72°。在沒有細(xì)分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細(xì)分設(shè)置數(shù)就可以改變步距角。步進電機的拍數(shù)指的是電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需的脈沖數(shù)。

①細(xì)分：細(xì)分就是指電機運行時的實際步矩角是基本步矩角的幾分之一。如：驅(qū)動器工作在10細(xì)分狀態(tài)時，其步矩角只為電機固有步矩角的十分之一，也就是說：當(dāng)驅(qū)動器工作在不細(xì)分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電機轉(zhuǎn)動1.8°，而用細(xì)分驅(qū)動器工作在10細(xì)分狀態(tài)時，電機只轉(zhuǎn)動了0.18。細(xì)分功能完全是由驅(qū)動器靠精度控制電機的相電流所產(chǎn)生的，與電機無關(guān)。細(xì)分是控制精度的標(biāo)志，通過增大細(xì)分能改善精度。步進電機都有低頻振蕩的特點，如果電機需要工作在低頻共振區(qū)，細(xì)分驅(qū)動器是很好的選擇。此外，細(xì)分和不細(xì)分相比，輸出轉(zhuǎn)矩對各種電機都有不同程度的提升。②硬件準(zhǔn)備。S7-200 PLC、步進驅(qū)動器KINCO9（步科）3M458、步進電機3S57Q-

04056和連線。電機的連線：由于步進電機是三相步進電動機需要把電機接成三角形。整步方式下步距角是1.8°，半步方式下步距角為0.9°，相電流為5.8A。③步進驅(qū)動器接線及接點的解釋：PLS+和PLS-為脈沖信號的接點：脈沖信號的數(shù)量、頻率與步進電機的位移和速度成正比;DIR+和DIR-為方向信號的接點：它的高低電平?jīng)Q定電動機的旋轉(zhuǎn)方向;FREE+和FREE-為脫機信號：當(dāng)為ON時，驅(qū)動器將斷開輸入到步進電動機的電源回路;當(dāng)為OFF時，步進電動機在上電后，即使靜止時也保持自動半流的鎖緊狀態(tài)。步進驅(qū)動器主要解決的問題是：脈沖的分配和功率放大。脈沖分配（環(huán)形脈沖分配器）：用來控制步進電動機的通電運行方式，其作用是把控制器送來的一串指令脈沖按照一定的順序和分配方式控制各相繞組的通斷，由于步進電動機的工作原理是各繞組必須按一定的順序通電變化才能正常工作，完成這種通電順序變化的規(guī)律我們稱為環(huán)形分配器。驅(qū)動器采用的是細(xì)分驅(qū)動電源：這里的細(xì)分表示為每送給步進電動機一相或幾相繞組一個脈沖信號的電壓，步進電動機就旋轉(zhuǎn)一步即步距角，如果在一拍中通電相的電流不是一次直接到達最大值，而是分成多次，每次增加都會使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一小步;同樣的繞組電流的下降也是分成幾次完成，這樣的方式稱為細(xì)分，這樣步進電機由原來的一步到達便分成許多微步來完成實現(xiàn)了步進的細(xì)分。在實際應(yīng)用中，步進驅(qū)動器的側(cè)面有一個紅色的8位開關(guān)我們稱為功能設(shè)定開關(guān)，主要用來設(shè)定驅(qū)動器的工作方式和工作參數(shù)。其中開關(guān)1至3用來表示細(xì)分設(shè)置用，如果開關(guān)打在ON，表示使用，如果打在OFF表示此開關(guān)不用，加細(xì)分設(shè)置表。

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DIP4：ON表示靜態(tài)電流全流，OFF表示靜態(tài)電流半流。

DIP5至DIP8：表示輸出相電流設(shè)置用，加輸出相電流的設(shè)置表。

電路的整體接線圖（圖1）。

步進電機的控制方式：

①利用字節(jié)控制步進電機。在主程序中調(diào)用初始化子程序，在子程序中設(shè)置：

a設(shè)置PTO/PWM控制字節(jié)（Q0.0對應(yīng)的是字節(jié)SMB67;Q0.1對應(yīng)的是字節(jié)SMB77）。b寫入周期值：（Q0.0對應(yīng)的是字節(jié)SMW68;Q0.1對應(yīng)的是字節(jié)SMW78）。c寫入脈沖串計數(shù)值：（Q0.0對應(yīng)的是字節(jié)SMD72;Q0.1對應(yīng)的是字節(jié)SMD82）。d連接中斷事件和中斷服務(wù)程序，允許中斷（可選）。e執(zhí)行PLS指令，使S7-200CPU對PTO硬件編程。（圖2）

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圖2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖3

②利用包絡(luò)控制步進電機（圖3）。

③利用庫控制步進電機（圖4）。

Velocity_ss：啟動/停止頻率（最低速度），單位：pulse/Second

Velocity_max：最大頻率（最高速度），單位：pulse/Second。

Accel_dec_time：加減速時間 Fwd_limit：正向限位開關(guān)

Rev_limit：反向限位開關(guān) ?C_pos：當(dāng)前的脈沖數(shù)值

Num_pulses：脈沖數(shù)值（必須大于1）

velocity：預(yù)設(shè)的頻率（預(yù)設(shè)的速度）direcition：預(yù)設(shè)的方向（0表示反向，1表示正向）。

Done：完成位

步進電動機最大的優(yōu)勢在于它控制簡單，投資成本低，所以很多小型設(shè)備在設(shè)計上優(yōu)先選擇步進電機，而步進電動機的型號非常全。但是其缺點是其控制精度不高，在一些高精尖的設(shè)備已不再采用，而是用交流伺服電機來驅(qū)動。

參考文獻：

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[3]張明.步進電機的基本原理[J].科技信息，2007（09）.