基于PLC的步进电机转速控制方法研究

基于PLC的步进电机转速控制方法研究摘要：概述了PLC控制的优点、步进电机的工作原理。提出了一种基于PLC的四相步进电机控制方法，介绍了系统的硬件组成以及相应的I／O分配。软件设计包括脉冲产生和控制、脉冲分配及步数设定三大模块，用软件完成脉冲分配功能，可以减少硬件资源，控制参数改变方便灵活，提高了系统控制的可靠性和灵活性。步进电机又叫做脉冲电机，是控制系统中的一种执行元件。它的作用是将脉冲信号变换为相应的位移，即给一个脉冲电信号，步进电机就转动一个角度或前进一步。由于步进电机的位移与脉冲个数成正比，因此只要控制输入脉冲的个数IlJ，便可控制步进电机前进的位移，从而实现精确定位。在负载能力范围内，这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化，因而可适用于开环系统中作执行元件，使控制系统大为简化。目前，我国已较多地将步进电机用于机械加工的数字程序控制机床中(即数控机床)，在绘图机、轧钢机的自动控制、自动记录仪表和数模变换等方面也得到很多应用睇J。可编程序控制器(programmablelogiccontroller)简称PLC，是一种数字运算操作的电子系统，专门用于工业环境设计。它的主要特点是可靠性高、使用方便、体积小、重量轻、编程简单易学，在工业控制领域得到广泛的应用【3】。1步进电机的工作原理对步进电机的控制主要包括三个方面，即步进电机的转速控制、方向控制、步数控制。改变步进电机定子绕组的通电顺序，就改变步进电机的旋转方向，改变脉冲频率，就改变步进电机的转速，改变脉冲个数，就改变步进电机的步数‘41。设步进电机为四相单四拍运行，即通电方式为A—B—C—D—A⋯⋯当图l中的A相绕组通电时，转子的齿与定子AA上的齿对齐，相邻两对磁极下的齿和转子齿会错开l，4齿距角，即1．80．若A相断电，B相通电，在磁力的作用下，转子应按顺时针方向转过1．80，转子的齿与定子BB上的齿对齐，这时AA和CC极下的齿与转子又错开1．80．依此类推，控制绕组按A—B—C—D—A⋯⋯顺序循环通电时，转子就按顺时针方向转动。每换接一次绕组，转子转过l，4齿距角。如果要使步进电机反转，只要改通电顺序，即按A—D—C—B—A⋯⋯顺序循环通电，转子将按反时针方向转动，步距角同样为l，4齿距角，即1．80．当AB两相同时通电时，定子绕组的通电状态对步进电机的控制主要包括转速控制、方向控每改变一次，转子转过0．90，从而形成四相八拍，其通电顺序为A—·AB—+B—BC—+C—·CD—·D—·DA—A⋯⋯若改变通电顺序，则步进电机反转pJ。2步进电机的控制电路步进电机的控制电路包括PLC和驱动电路两大部分。本系统PLC采用西门子公司的S7—200系列的CPU224，它有14输～10输出，I／O共计24点，满足系统要求，并有一定的余量。PLC用来产生频率连续可变的脉冲信号，驱动电路包括环形分配器和功率放大器，环形分配器的主要功能是将PLC送来的一串指令脉冲，按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机的驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向。当步进电机在一个方向上连续运行时，其各相通、断的脉冲分配是一个循环，因此称为环形分配器。环形分配器的输出不仅是周期性的，又是可逆的。环形分配的功能可由硬件或软件的方法来实现，分别称为硬件环形分配器和软件环形分配器。硬件环形分配器的种类很多，它可由D触发器或JK触发器构成，亦可采用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。用软件环形分配器只需编制不同的环形分配程序，将其存入PLC的存储单元中即可。本文实现了用PLC软件来完成脉冲的分配功能，使线路简化，节省了硬件资源，降低系统的成本，并可灵活地改变步进电机的控制方案。系统组成框图如图2所示。步进电机的控制信号包括位置、速度、方向和启停信号，这些信号既可以由人机界面产生，也可以采用手动控制方式，本文采用手动控制方式。根据对步进电机的控制要求，I／O分配如表1所示。3软件设计对步进电机的控制主要包括转速控制、方向控制和位置控制，所以软件设计由三大模块组成，即脉冲产生和控制模块、脉冲分配模块及步数设定模块。图3为脉冲产生和控制模块，其主要功能是产生不同频率的脉冲，从而实现对步进电机转速的控制，此功能可以通过改变定时器T37、T38、T39的设定值实现。图4为脉冲分配模块，其功能相当于环形分配器实现脉冲分配。图5是步数设定模块，改变计数器的设定值即可改变步进电机的位置。结束语本文采用PLC控制四相步进电机，方法简单，控制方便，可靠性高，本文设计的软件已经通过调试，验证了设计的正确性和可行性。用软件完成脉冲分配功能，可以减少硬件资源，降低成本，控制参数改变方便灵活，提高了系统控制的可靠性和灵活性，具有一定的推广和实用价值。通过改变输入脉冲的个数，可以改变步进电机的步数，从而改变步进电机前进的位移，实现在各种自动化设备中的精确定位。