PLC控制器實現步進電(dian)機正反轉和(he)調速控制
實驗目的(de)
2、掌握帶驅動電源的(de)步進電機(ji)的(de)控制方法
3、掌(zhang)握DECO指令實現步進電機(ji)正反(fan)轉和調速控制的程(cheng)序
3、正反切換開(kai)關(guan)、起停開(kai)關(guan)、增(zeng)減速開(kai)關(guan)各(ge)一(yi)個
步進(jin)電(dian)(dian)(dian)機(ji)是純粹的數字控制電(dian)(dian)(dian)動(dong)機(ji)，它將電(dian)(dian)(dian)脈沖(chong)信號轉換成(cheng)(cheng)(cheng)角(jiao)位(wei)移(yi)，即給(gei)一(yi)個(ge)(ge)脈沖(chong)信號，步進(jin)電(dian)(dian)(dian)機(ji)就轉動(dong)一(yi)個(ge)(ge)角(jiao)度，圖3-1是一(yi)個(ge)(ge)三相反應式步進(jin)電(dian)(dian)(dian)機(ji)結(jie)圖。從圖中可(ke)以(yi)看出(chu)，它分(fen)成(cheng)(cheng)(cheng)轉子和定子兩部分(fen)。定子是由(you)硅鋼片(pian)疊成(cheng)(cheng)(cheng)，定子上有(you)六個(ge)(ge)磁(ci)極（大(da)極），每(mei)兩個(ge)(ge)相對(dui)(dui)(dui)的磁(ci)極（N、S極）組(zu)成(cheng)(cheng)(cheng)一(yi)對(dui)(dui)(dui)。共有(you)3對(dui)(dui)(dui)。每(mei)對(dui)(dui)(dui)磁(ci)極都繞有(you)同一(yi)繞組(zu)，也(ye)即形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)1相，這樣(yang)三對(dui)(dui)(dui)磁(ci)極有(you)3個(ge)(ge)繞組(zu)，形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)三相。可(ke)以(yi)得出(chu)，三相步進(jin)電(dian)(dian)(dian)機(ji)有(you)3對(dui)(dui)(dui)磁(ci)極、3相繞組(zu)；四相步進(jin)電(dian)(dian)(dian)機(ji)有(you)4對(dui)(dui)(dui)磁(ci)極、四相繞組(zu)，依此類推。
反(fan)應式步進電(dian)(dian)動(dong)機的(de)動(dong)力來(lai)自于電(dian)(dian)磁(ci)力。在電(dian)(dian)磁(ci)力的(de)作用下(xia)，轉子(zi)(zi)被強行推(tui)動(dong)到最(zui)大磁(ci)導(dao)(dao)率（或者最(zui)小(xiao)磁(ci)阻）的(de)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)，如(ru)圖3-1（a）所示，定子(zi)(zi)小(xiao)齒(chi)與(yu)轉子(zi)(zi)小(xiao)齒(chi)對齊的(de)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)，并處(chu)于平(ping)衡狀態。對三相(xiang)(xiang)(xiang)異步電(dian)(dian)動(dong)機來(lai)說，當(dang)某一相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)磁(ci)極處(chu)于最(zui)大導(dao)(dao)磁(ci)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)時，另外兩相(xiang)(xiang)(xiang)相(xiang)(xiang)(xiang)必處(chu)于非最(zui)大導(dao)(dao)磁(ci)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)，如(ru)圖3-1（b）所示，即定子(zi)(zi)小(xiao)齒(chi)與(yu)轉子(zi)(zi)小(xiao)齒(chi)不對齊的(de)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)。
把定子(zi)小(xiao)齒(chi)(chi)與轉(zhuan)子(zi)小(xiao)齒(chi)(chi)對(dui)齊的(de)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態稱為(wei)對(dui)齒(chi)(chi)，把定子(zi)小(xiao)齒(chi)(chi)與轉(zhuan)子(zi)小(xiao)齒(chi)(chi)不對(dui)齊的(de)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態稱為(wei)錯(cuo)齒(chi)(chi)。錯(cuo)齒(chi)(chi)的(de)存(cun)(cun)在是步進電機能(neng)夠旋(xuan)轉(zhuan)的(de)前提條件，所(suo)以，在步進電機的(de)結構中必(bi)須(xu)保證有錯(cuo)齒(chi)(chi)的(de)存(cun)(cun)在，也就是說，當某(mou)一(yi)相(xiang)處于對(dui)齒(chi)(chi)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態時，其它繞組必(bi)須(xu)處于錯(cuo)齒(chi)(chi)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態。
本實驗的電(dian)(dian)機采用兩(liang)相(xiang)混合(he)式步(bu)進電(dian)(dian)機，其內部上(shang)下(xia)是兩(liang)個磁(ci)(ci)鐵(tie)，中(zhong)(zhong)間(jian)是線圈，通了(le)(le)(le)直流電(dian)(dian)以(yi)(yi)后(hou)，就成了(le)(le)(le)電(dian)(dian)磁(ci)(ci)鐵(tie)，被上(shang)下(xia)的磁(ci)(ci)鐵(tie)吸引后(hou)就產生了(le)(le)(le)偏轉(zhuan)。因為(wei)中(zhong)(zhong)間(jian)連接(jie)的，是采用在轉(zhuan)軸的位置用一根滑動的接(jie)觸片。這樣如果(guo)電(dian)(dian)磁(ci)(ci)鐵(tie)轉(zhuan)過(guo)了(le)(le)(le)頭(tou)(tou)，原先連接(jie)電(dian)(dian)磁(ci)(ci)鐵(tie)的兩(liang)根線剛(gang)好(hao)就相(xiang)反(fan)了(le)(le)(le)，所(suo)以(yi)(yi)電(dian)(dian)磁(ci)(ci)鐵(tie)的N極S極就和(he)以(yi)(yi)前(qian)相(xiang)反(fan)了(le)(le)(le)。但是電(dian)(dian)機上(shang)下(xia)的磁(ci)(ci)鐵(tie)是不變(bian)的，所(suo)以(yi)(yi)又(you)可以(yi)(yi)繼(ji)續(xu)吸引中(zhong)(zhong)間(jian)的電(dian)(dian)磁(ci)(ci)鐵(tie)。當電(dian)(dian)磁(ci)(ci)鐵(tie)繼(ji)續(xu)轉(zhuan)，由于慣性(xing)又(you)轉(zhuan)過(guo)了(le)(le)(le)頭(tou)(tou)，所(suo)以(yi)(yi)電(dian)(dian)極又(you)相(xiang)反(fan)了(le)(le)(le)。重復上(shang)述(shu)過(guo)程就步(bu)進電(dian)(dian)機轉(zhuan)了(le)(le)(le)。
根據(ju)這個(ge)原理，如圖3-2所示，兩(liang)相步進(jin)電(dian)機的(de)轉動步驟(zou)，以(yi)正轉為例(li)：
由圖可(ke)見，現相(xiang)異(yi)步(bu)電機正轉過程分為四個步(bu)驟，即A相(xiang)正方(fang)向(xiang)電流(liu)、B相(xiang)正方(fang)向(xiang)電流(liu)、A向(xiang)反(fan)(fan)方(fang)向(xiang)電流(liu)和B相(xiang)反(fan)(fan)方(fang)向(xiang)電流(liu)。反(fan)(fan)轉工(gong)作的(de)順序(xu)與之相(xiang)反(fan)(fan)。A、B兩(liang)相(xiang)線圈(quan)不是固定(ding)的(de)電流(liu)方(fang)向(xiang)，這與其它步(bu)進電機的(de)控(kong)制(zhi)邏(luo)輯有(you)所不同。因此，控(kong)制(zhi)步(bu)進電機轉動(dong)時，必須考(kao)慮用換相(xiang)的(de)思路(lu)設(she)計實驗線路(lu)。可(ke)以根據模擬驅動(dong)電路(lu)的(de)功能和plc必須的(de)邏(luo)輯關系進行程序(xu)設(she)計。
四、采用步(bu)進(jin)電機驅動器的控(kong)制(zhi)方(fang)式
利(li)用步(bu)進(jin)電機(ji)驅(qu)動器(qi)可以通(tong)過PLC的(de)(de)高速(su)輸(shu)出信(xin)號(hao)控(kong)制(zhi)步(bu)進(jin)電機(ji)的(de)(de)運動方(fang)(fang)向、運行速(su)度、運行步(bu)數(shu)等狀態(tai)。其中：步(bu)進(jin)電機(ji)的(de)(de)方(fang)(fang)向控(kong)制(zhi)，只需要通(tong)過控(kong)制(zhi)U/D端的(de)(de)On和Off就能(neng)決定(ding)電機(ji)的(de)(de)正轉(zhuan)或反轉(zhuan)；將光耦隔離的(de)(de)脈沖信(xin)號(hao)輸(shu)入到CP端就能(neng)決定(ding)步(bu)進(jin)電機(ji)的(de)(de)速(su)度和步(bu)數(shu)；控(kong)制(zhi)FREE信(xin)號(hao)就能(neng)使(shi)電機(ji)處于(yu)自(zi)由狀態(tai)。
因此PLC控(kong)制(zhi)器(qi)
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。
對于(yu)兩(liang)相步(bu)進電(dian)機控制，根據其(qi)工作原(yuan)理，必(bi)須考慮其(qi)換向的控制方式，因此將其(qi)步(bu)驟用代號分解，則(ze)為：①實(shi)現電(dian)流方向A+→A-、②實(shi)現電(dian)流方向B+→B-、③實(shi)現電(dian)流方向A-→A+、④實(shi)現電(dian)流方向B-→B+。如果反轉則(ze)按(an)照④、③、②、①的順序(xu)控制。
PLC的(de)I/O分配表(biao)(biao)按(an)照表(biao)(biao)3-2，分配圖按(an)照圖3-6，梯(ti)形圖見圖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)ON時(shi)(shi)(shi)，輸出(chu)(chu)正(zheng)脈(mo)沖列，步(bu)(bu)進電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)正(zheng)轉。當X0為(wei)ON時(shi)(shi)(shi)，T246以D0值(zhi)為(wei)預置值(zhi)開(kai)始(shi)計(ji)時(shi)(shi)(shi)，時(shi)(shi)(shi)間(jian)到，T246導通(tong)(tong)，執(zhi)行DECO指令(ling)(ling)(ling)，根據(ju)D1數(shu)(shu)值(zhi)（首(shou)次為(wei)0），指定(ding)(ding)M10輸出(chu)(chu)，Y0、Y4為(wei)ON，步(bu)(bu)進電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)A相(xiang)通(tong)(tong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，且(qie)實現(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流方向A+→A-；D1加1，然后，T246馬(ma)上(shang)(shang)(shang)自(zi)行復(fu)位(wei)(wei)(wei)，重(zhong)新(xin)(xin)計(ji)時(shi)(shi)(shi)，時(shi)(shi)(shi)間(jian)到，T246又(you)導通(tong)(tong)，再(zai)(zai)執(zhi)行DECO指令(ling)(ling)(ling)，根據(ju)D1數(shu)(shu)值(zhi)（此次為(wei)1），指定(ding)(ding)M11輸出(chu)(chu)，Y1、Y5為(wei)ON，步(bu)(bu)進電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)B相(xiang)通(tong)(tong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，且(qie)實現(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流方向B+→B-；D1加1，T246馬(ma)上(shang)(shang)(shang)又(you)自(zi)行復(fu)位(wei)(wei)(wei)，重(zhong)新(xin)(xin)計(ji)數(shu)(shu)，時(shi)(shi)(shi)間(jian)到，T246又(you)導通(tong)(tong)，再(zai)(zai)執(zhi)行DECO指令(ling)(ling)(ling)，根據(ju)D1數(shu)(shu)值(zhi)（此次為(wei)2），指定(ding)(ding)M12輸出(chu)(chu)，Y2、Y6為(wei)ON，步(bu)(bu)進電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)A相(xiang)通(tong)(tong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，且(qie)實現(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流方向A-→A+；D1加1，T246馬(ma)上(shang)(shang)(shang)又(you)自(zi)行復(fu)位(wei)(wei)(wei)，重(zhong)新(xin)(xin)計(ji)時(shi)(shi)(shi)，時(shi)(shi)(shi)間(jian)到，T246又(you)導通(tong)(tong)，再(zai)(zai)執(zhi)行DECO命令(ling)(ling)(ling)，根據(ju)D1數(shu)(shu)值(zhi)（此次為(wei)3），指定(ding)(ding)M13輸出(chu)(chu)，Y3、Y7為(wei)ON，步(bu)(bu)進電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)B相(xiang)通(tong)(tong)電(dian)(dian)(dian)(dian)，且(qie)實現(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流方向B-→B+；當M13為(wei)ON，D1復(fu)位(wei)(wei)(wei)，重(zhong)新(xin)(xin)開(kai)始(shi)新(xin)(xin)一輪正(zheng)脈(mo)沖系列的產生。
X1為(wei)ON時，輸(shu)出反脈(mo)沖列，步進電(dian)(dian)機(ji)(ji)正(zheng)(zheng)轉(zhuan)。當X1為(wei)ON時，T246以D0值為(wei)預置值開始計時，時間到，T246導通，執(zhi)行DECO指令，根(gen)據D1數值（首次為(wei)0），指定M10輸(shu)出，Y3、Y7為(wei)ON，步進電(dian)(dian)機(ji)(ji)B相(xiang)通電(dian)(dian)，且實(shi)現電(dian)(dian)流方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)B-→B+；依此類推，完成實(shi)現A相(xiang)反方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)電(dian)(dian)流、B相(xiang)正(zheng)(zheng)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)電(dian)(dian)流、A相(xiang)正(zheng)(zheng)方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)電(dian)(dian)流三個脈(mo)沖列輸(shu)出；當M13為(wei)ON，D1復位，重新開始新一輪正(zheng)(zheng)脈(mo)沖系列的(de)產生。
當(dang)X2為(wei)ON時，程序由(you)自動(dong)轉為(wei)手動(dong)模(mo)式，當(dang)X0（X1）為(wei)ON時，每(mei)點動(dong)一次X3，對D1數值(zhi)（首(shou)次為(wei)0）加1，分別指定M10、M11、M12及M13輸出，從(cong)而完(wan)成一輪正（反）脈沖系列的產(chan)生(sheng)。
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。
調速時按(an)X4或X5按(an)鈕(niu)，觀察D0的變化，當變化值為所需速度時釋放。
如(ru)動作(zuo)情況與(yu)(yu)控(kong)制(zhi)要(yao)求一致表明程序(xu)正確，保(bao)存程序(xu)。如(ru)果發(fa)現程序(xu)運行與(yu)(yu)控(kong)制(zhi)要(yao)求不符，應仔(zi)細分析，找(zhao)出原因，重新修改，直到程序(xu)與(yu)(yu)控(kong)制(zhi)要(yao)求相符為止。
如果調速(su)需經常進(jin)行，可將(jiang)D0的內容顯示出(chu)來，試(shi)設想方案，修改程(cheng)序，并實驗。
圖3-7 步進電機正反轉(zhuan)和調(diao)速控制
1、步驟0，指定脈沖序(xu)列輸出順序(xu)移位值(zhi)；
2、當(dang)X0為(wei)ON，輸出正脈(mo)沖序列，電機(ji)正轉；當(dang)X1為(wei)ON，輸出負脈(mo)沖序列，電機(ji)反(fan)轉；
3、當(dang)X2為(wei)(wei)ON，程(cheng)序由(you)自動轉為(wei)(wei)手動模式，由(you)X3狀態單步(bu)觸發電機運轉；
4、當(dang)X4為ON，如D0小于1000，每100ms對D0加1，從而(er)延(yan)長(chang)每脈沖輸出(chu)的時間間隔(ge)，降低電機的轉速；
5、當(dang)X5為ON，如D0大于200，每(mei)100ms對D0減(jian)1，從而縮短每(mei)脈沖輸出的時間間隔，加(jia)快(kuai)電機(ji)的轉速；
6、T0為頻(pin)率調整(zheng)限(xian)制。
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