PLC控制(zhi)器實現步進電(dian)機(ji)正反轉和調速控制(zhi)
實(shi)驗目的
1、掌握步進(jin)電機(ji)的工作原理(li)
2、掌握帶驅動電源的步進電機的控(kong)制方法
3、掌握DECO指令實現(xian)步(bu)進電機正(zheng)反轉(zhuan)和(he)調速(su)控(kong)制的程序
2、兩(liang)相四拍帶驅動電(dian)源的步(bu)進電(dian)機一套
3、正(zheng)反切換開(kai)關(guan)(guan)、起停開(kai)關(guan)(guan)、增減速(su)開(kai)關(guan)(guan)各一個
三(san)、步進電(dian)機工作(zuo)原理
步進(jin)電(dian)機是(shi)(shi)純粹的數字(zi)控制電(dian)動(dong)機，它將電(dian)脈(mo)沖信號轉換成角(jiao)位移，即給一(yi)個脈(mo)沖信號，步進(jin)電(dian)機就轉動(dong)一(yi)個角(jiao)度，圖(tu)3-1是(shi)(shi)一(yi)個三(san)(san)相(xiang)反(fan)應式步進(jin)電(dian)機結圖(tu)。從圖(tu)中可(ke)以看出(chu)，它分成轉子和定子兩部分。定子是(shi)(shi)由硅(gui)鋼片(pian)疊成，定子上有(you)(you)六個磁(ci)極(ji)(ji)（大(da)極(ji)(ji)），每兩個相(xiang)對(dui)(dui)的磁(ci)極(ji)(ji)（N、S極(ji)(ji)）組(zu)成一(yi)對(dui)(dui)。共有(you)(you)3對(dui)(dui)。每對(dui)(dui)磁(ci)極(ji)(ji)都(dou)繞(rao)有(you)(you)同一(yi)繞(rao)組(zu)，也(ye)即形成1相(xiang)，這(zhe)樣三(san)(san)對(dui)(dui)磁(ci)極(ji)(ji)有(you)(you)3個繞(rao)組(zu)，形成三(san)(san)相(xiang)。可(ke)以得出(chu)，三(san)(san)相(xiang)步進(jin)電(dian)機有(you)(you)3對(dui)(dui)磁(ci)極(ji)(ji)、3相(xiang)繞(rao)組(zu)；四相(xiang)步進(jin)電(dian)機有(you)(you)4對(dui)(dui)磁(ci)極(ji)(ji)、四相(xiang)繞(rao)組(zu)，依此類推。
反應式步進電動機的動力來自于(yu)電磁(ci)力。在電磁(ci)力的作(zuo)用下，轉(zhuan)子(zi)被強行推動到(dao)最大磁(ci)導(dao)(dao)率（或者最小(xiao)磁(ci)阻(zu)）的位(wei)置，如(ru)(ru)圖(tu)3-1（a）所示，定子(zi)小(xiao)齒與(yu)轉(zhuan)子(zi)小(xiao)齒對(dui)(dui)齊的位(wei)置，并處于(yu)平衡狀態。對(dui)(dui)三相異步電動機來說，當某一相的磁(ci)極處于(yu)最大導(dao)(dao)磁(ci)位(wei)置時，另外兩相相必處于(yu)非最大導(dao)(dao)磁(ci)位(wei)置，如(ru)(ru)圖(tu)3-1（b）所示，即定子(zi)小(xiao)齒與(yu)轉(zhuan)子(zi)小(xiao)齒不對(dui)(dui)齊的位(wei)置。
把定子(zi)小(xiao)齒(chi)與(yu)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)小(xiao)齒(chi)對(dui)齊(qi)的(de)狀(zhuang)態稱為對(dui)齒(chi)，把定子(zi)小(xiao)齒(chi)與(yu)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)小(xiao)齒(chi)不對(dui)齊(qi)的(de)狀(zhuang)態稱為錯(cuo)齒(chi)。錯(cuo)齒(chi)的(de)存(cun)在(zai)(zai)是步進電機(ji)能夠旋轉(zhuan)(zhuan)的(de)前提(ti)條(tiao)件，所(suo)以，在(zai)(zai)步進電機(ji)的(de)結構中(zhong)必(bi)須保(bao)證有錯(cuo)齒(chi)的(de)存(cun)在(zai)(zai)，也就是說，當某一相處于對(dui)齒(chi)狀(zhuang)態時，其它繞(rao)組必(bi)須處于錯(cuo)齒(chi)狀(zhuang)態。
本(ben)實驗(yan)的(de)(de)(de)(de)電(dian)機采(cai)用兩(liang)相混合(he)式步(bu)進電(dian)機，其內部上(shang)下(xia)是(shi)兩(liang)個磁(ci)(ci)鐵(tie)(tie)，中(zhong)間是(shi)線圈(quan)，通了(le)(le)(le)(le)(le)直流電(dian)以(yi)(yi)后，就(jiu)(jiu)成了(le)(le)(le)(le)(le)電(dian)磁(ci)(ci)鐵(tie)(tie)，被上(shang)下(xia)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)鐵(tie)(tie)吸引后就(jiu)(jiu)產生了(le)(le)(le)(le)(le)偏(pian)轉。因為中(zhong)間連接的(de)(de)(de)(de)，是(shi)采(cai)用在(zai)轉軸的(de)(de)(de)(de)位置用一根(gen)滑動的(de)(de)(de)(de)接觸(chu)片。這樣如果電(dian)磁(ci)(ci)鐵(tie)(tie)轉過(guo)了(le)(le)(le)(le)(le)頭，原先(xian)連接電(dian)磁(ci)(ci)鐵(tie)(tie)的(de)(de)(de)(de)兩(liang)根(gen)線剛好就(jiu)(jiu)相反(fan)了(le)(le)(le)(le)(le)，所以(yi)(yi)電(dian)磁(ci)(ci)鐵(tie)(tie)的(de)(de)(de)(de)N極(ji)S極(ji)就(jiu)(jiu)和以(yi)(yi)前相反(fan)了(le)(le)(le)(le)(le)。但是(shi)電(dian)機上(shang)下(xia)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)鐵(tie)(tie)是(shi)不變的(de)(de)(de)(de)，所以(yi)(yi)又(you)可以(yi)(yi)繼續吸引中(zhong)間的(de)(de)(de)(de)電(dian)磁(ci)(ci)鐵(tie)(tie)。當(dang)電(dian)磁(ci)(ci)鐵(tie)(tie)繼續轉，由于(yu)慣性又(you)轉過(guo)了(le)(le)(le)(le)(le)頭，所以(yi)(yi)電(dian)極(ji)又(you)相反(fan)了(le)(le)(le)(le)(le)。重復上(shang)述過(guo)程(cheng)就(jiu)(jiu)步(bu)進電(dian)機轉了(le)(le)(le)(le)(le)。
根(gen)據這個原理，如(ru)圖3-2所(suo)示(shi)，兩相步進電機的轉動(dong)步驟，以正(zheng)轉為(wei)例(li)：
由圖可見，現相(xiang)異(yi)步(bu)電(dian)(dian)(dian)機正(zheng)轉過程(cheng)分為四個步(bu)驟，即A相(xiang)正(zheng)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)電(dian)(dian)(dian)流(liu)、B相(xiang)正(zheng)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)電(dian)(dian)(dian)流(liu)、A向(xiang)(xiang)反方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)電(dian)(dian)(dian)流(liu)和B相(xiang)反方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)電(dian)(dian)(dian)流(liu)。反轉工作的(de)(de)順序與之相(xiang)反。A、B兩(liang)相(xiang)線圈不(bu)(bu)是固(gu)定的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)，這與其它步(bu)進(jin)電(dian)(dian)(dian)機的(de)(de)控(kong)制邏輯(ji)有所不(bu)(bu)同。因此，控(kong)制步(bu)進(jin)電(dian)(dian)(dian)機轉動(dong)時，必(bi)須考慮用換(huan)相(xiang)的(de)(de)思路設(she)計實驗線路。可以根(gen)據模擬驅(qu)動(dong)電(dian)(dian)(dian)路的(de)(de)功能和plc必(bi)須的(de)(de)邏輯(ji)關系進(jin)行(xing)程(cheng)序設(she)計。
四、采用步進電機(ji)驅(qu)動(dong)器的控制方式(shi)
利用(yong)步(bu)(bu)進(jin)(jin)電(dian)機(ji)驅動器可(ke)以(yi)通過PLC的(de)(de)高速輸出信號(hao)控制步(bu)(bu)進(jin)(jin)電(dian)機(ji)的(de)(de)運動方向、運行速度(du)、運行步(bu)(bu)數等狀態。其中：步(bu)(bu)進(jin)(jin)電(dian)機(ji)的(de)(de)方向控制，只需(xu)要通過控制U/D端的(de)(de)On和(he)Off就能(neng)決(jue)定電(dian)機(ji)的(de)(de)正轉或反轉；將光耦隔離的(de)(de)脈(mo)沖信號(hao)輸入到CP端就能(neng)決(jue)定步(bu)(bu)進(jin)(jin)電(dian)機(ji)的(de)(de)速度(du)和(he)步(bu)(bu)數；控制FREE信號(hao)就能(neng)使電(dian)機(ji)處(chu)于自由狀態。
因此PLC控制器
的控制程序相當簡單，只需通過PLC的輸出就能控制步進電機的方向、轉速和步數。不必通過PLC控制電機換相的邏輯關系，也不必另外添加驅動電路。實訓面板見圖3-4，梯形圖見圖3-5。本程序是利用D0的變化，改變T0的定時間隔，從而改變步進電機的轉速。通過兩個觸點比較指令使得D0只能在10～50之間變化，從而控制步進間隔是1S～5S之間，I/O分配表見表3-1。
表(biao)3-1 I/O分(fen)配(pei)表(biao)
五、采用PLC控(kong)制(zhi)器直接(jie)控(kong)制(zhi)步進(jin)電機方式
對于兩相步進電機(ji)控(kong)制(zhi)(zhi)，根據其(qi)工作原理，必須考慮其(qi)換向(xiang)的(de)控(kong)制(zhi)(zhi)方式，因此將(jiang)其(qi)步驟(zou)用代號(hao)分解(jie)，則(ze)為：①實(shi)現電流方向(xiang)A+→A-、②實(shi)現電流方向(xiang)B+→B-、③實(shi)現電流方向(xiang)A-→A+、④實(shi)現電流方向(xiang)B-→B+。如果反轉則(ze)按照④、③、②、①的(de)順序控(kong)制(zhi)(zhi)。
PLC的I/O分配(pei)表(biao)按(an)照(zhao)表(biao)3-2，分配(pei)圖(tu)按(an)照(zhao)圖(tu)3-6，梯形(xing)圖(tu)見圖(tu)3-7。
步進電機正反轉和調速控制的梯形圖如圖3-7所示，程序中采用積算定時器T246為脈沖發生器，因系統配置的PLC為繼電器輸出類型，其通斷頻率過高有可能損壞PLC控制器
，故設定范圍為K200ms～1000ms，則步進電機可獲得1～10步/秒的變速范圍，（X0為ON時，正轉，X1為ON時；反轉）。
X0為(wei)(wei)ON時(shi)(shi)(shi)(shi)，輸(shu)出正(zheng)脈沖(chong)列，步(bu)(bu)進(jin)(jin)電(dian)(dian)(dian)(dian)機正(zheng)轉。當X0為(wei)(wei)ON時(shi)(shi)(shi)(shi)，T246以D0值(zhi)(zhi)(zhi)為(wei)(wei)預置值(zhi)(zhi)(zhi)開(kai)始計(ji)時(shi)(shi)(shi)(shi)，時(shi)(shi)(shi)(shi)間到(dao)(dao)，T246導通(tong)，執(zhi)行(xing)(xing)(xing)DECO指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)(ling)，根(gen)據D1數(shu)值(zhi)(zhi)(zhi)（首次(ci)(ci)(ci)為(wei)(wei)0），指(zhi)(zhi)(zhi)定M10輸(shu)出，Y0、Y4為(wei)(wei)ON，步(bu)(bu)進(jin)(jin)電(dian)(dian)(dian)(dian)機A相(xiang)(xiang)通(tong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，且(qie)(qie)實(shi)(shi)現(xian)(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)方向(xiang)(xiang)A+→A-；D1加1，然后，T246馬上(shang)(shang)自行(xing)(xing)(xing)復位(wei)(wei)(wei)，重新(xin)計(ji)時(shi)(shi)(shi)(shi)，時(shi)(shi)(shi)(shi)間到(dao)(dao)，T246又(you)導通(tong)，再執(zhi)行(xing)(xing)(xing)DECO指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)(ling)，根(gen)據D1數(shu)值(zhi)(zhi)(zhi)（此(ci)次(ci)(ci)(ci)為(wei)(wei)1），指(zhi)(zhi)(zhi)定M11輸(shu)出，Y1、Y5為(wei)(wei)ON，步(bu)(bu)進(jin)(jin)電(dian)(dian)(dian)(dian)機B相(xiang)(xiang)通(tong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，且(qie)(qie)實(shi)(shi)現(xian)(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)方向(xiang)(xiang)B+→B-；D1加1，T246馬上(shang)(shang)又(you)自行(xing)(xing)(xing)復位(wei)(wei)(wei)，重新(xin)計(ji)數(shu)，時(shi)(shi)(shi)(shi)間到(dao)(dao)，T246又(you)導通(tong)，再執(zhi)行(xing)(xing)(xing)DECO指(zhi)(zhi)(zhi)令(ling)(ling)，根(gen)據D1數(shu)值(zhi)(zhi)(zhi)（此(ci)次(ci)(ci)(ci)為(wei)(wei)2），指(zhi)(zhi)(zhi)定M12輸(shu)出，Y2、Y6為(wei)(wei)ON，步(bu)(bu)進(jin)(jin)電(dian)(dian)(dian)(dian)機A相(xiang)(xiang)通(tong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，且(qie)(qie)實(shi)(shi)現(xian)(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)方向(xiang)(xiang)A-→A+；D1加1，T246馬上(shang)(shang)又(you)自行(xing)(xing)(xing)復位(wei)(wei)(wei)，重新(xin)計(ji)時(shi)(shi)(shi)(shi)，時(shi)(shi)(shi)(shi)間到(dao)(dao)，T246又(you)導通(tong)，再執(zhi)行(xing)(xing)(xing)DECO命令(ling)(ling)，根(gen)據D1數(shu)值(zhi)(zhi)(zhi)（此(ci)次(ci)(ci)(ci)為(wei)(wei)3），指(zhi)(zhi)(zhi)定M13輸(shu)出，Y3、Y7為(wei)(wei)ON，步(bu)(bu)進(jin)(jin)電(dian)(dian)(dian)(dian)機B相(xiang)(xiang)通(tong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，且(qie)(qie)實(shi)(shi)現(xian)(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)方向(xiang)(xiang)B-→B+；當M13為(wei)(wei)ON，D1復位(wei)(wei)(wei)，重新(xin)開(kai)始新(xin)一輪正(zheng)脈沖(chong)系列的(de)產生(sheng)。
X1為(wei)(wei)ON時，輸(shu)(shu)出反(fan)脈(mo)沖列，步進(jin)電機正(zheng)轉。當(dang)X1為(wei)(wei)ON時，T246以(yi)D0值為(wei)(wei)預置值開(kai)始計(ji)時，時間到(dao)，T246導通，執行DECO指令(ling)，根據D1數值（首(shou)次為(wei)(wei)0），指定(ding)M10輸(shu)(shu)出，Y3、Y7為(wei)(wei)ON，步進(jin)電機B相(xiang)通電，且實(shi)現(xian)(xian)電流(liu)方向B-→B+；依此類推(tui)，完成實(shi)現(xian)(xian)A相(xiang)反(fan)方向電流(liu)、B相(xiang)正(zheng)方向電流(liu)、A相(xiang)正(zheng)方向電流(liu)三(san)個脈(mo)沖列輸(shu)(shu)出；當(dang)M13為(wei)(wei)ON，D1復位，重新開(kai)始新一(yi)輪正(zheng)脈(mo)沖系(xi)列的產生。
當X2為(wei)ON時，程序由自動(dong)(dong)轉為(wei)手動(dong)(dong)模式，當X0（X1）為(wei)ON時，每點動(dong)(dong)一(yi)次X3，對D1數值(zhi)（首次為(wei)0）加1，分(fen)別(bie)指(zhi)定M10、M11、M12及M13輸出，從而完成(cheng)一(yi)輪正（反）脈沖(chong)系列的產生。
第73步中，當X4為ON，M8012為ON，M4為ON，且D0當前值< span="">，則D0即加1。第88步中，當X5為ON，M8012為ON，M4為ON，且D0>K200，由D0即減1。
調速(su)時按X4或X5按鈕，觀察D0的變化(hua)，當變化(hua)值為所(suo)需速(su)度(du)時釋放。
如動作情(qing)況(kuang)與控制要求一致表(biao)明程(cheng)(cheng)(cheng)序(xu)正確，保(bao)存(cun)程(cheng)(cheng)(cheng)序(xu)。如果發現程(cheng)(cheng)(cheng)序(xu)運(yun)行與控制要求不符，應仔細分析，找出原因，重新修改(gai)，直到程(cheng)(cheng)(cheng)序(xu)與控制要求相符為止。
如果(guo)調(diao)速(su)需經常進行(xing)，可(ke)將D0的內容顯示出來(lai)，試設想方案，修改程序，并(bing)實驗。
圖(tu)3-7 步進電機(ji)正反轉和調速控制
1、步驟0，指(zhi)定脈沖序列輸(shu)出順序移位值；
2、當X0為ON，輸出(chu)正脈(mo)沖序(xu)列，電機(ji)正轉(zhuan)；當X1為ON，輸出(chu)負脈(mo)沖序(xu)列，電機(ji)反轉(zhuan)；
3、當X2為(wei)ON，程(cheng)序由自動轉為(wei)手動模式，由X3狀態單步觸發電(dian)機(ji)運轉；
4、當(dang)X4為ON，如D0小于1000，每(mei)100ms對(dui)D0加1，從而延長每(mei)脈沖輸出(chu)的(de)(de)時間(jian)間(jian)隔(ge)，降低電機的(de)(de)轉速；
5、當X5為ON，如D0大于200，每100ms對D0減(jian)1，從而(er)縮短每脈(mo)沖輸(shu)出的時(shi)間(jian)間(jian)隔，加快電機(ji)的轉速(su)；
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