【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 ⑶ 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易 ，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC 的少量開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門(mén)。 ⑷ 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 PLC 用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái)。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過(guò)改變程序改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。這很適合多品種、 小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。 ⑸ 體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。 PLC 的運(yùn)用領(lǐng)域 目前， PLC 在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類 [3]。 ⑴ 開(kāi)關(guān)量的邏輯控制 ⑵ 模擬量控制 曹祥：基于 PLC 三相六拍步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 ⑶ 運(yùn)動(dòng)控制 ⑷ 過(guò)程控制 ⑸ 數(shù)據(jù)處理 ⑹ 通信及聯(lián)網(wǎng) 8 第三章步進(jìn)電機(jī)工作方式的選擇 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于受脈沖的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移量和速度嚴(yán)格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，通過(guò)控制脈沖數(shù)量來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確 定位的目的；通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的；通過(guò)改變通電順序，從而達(dá)到改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的目的。步進(jìn)電機(jī)的種類很多，按結(jié)構(gòu)可以分為反應(yīng)式、永磁式及混合式步進(jìn)電機(jī)三類，按相數(shù)分則可以分為單相、兩相和多相三種 [7]。 1）永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 度或 15 度。 2）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 度，但噪聲和振動(dòng)都很大。 3）混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，它又分為兩相和五相。兩相步進(jìn)角一般分為 度，這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。 定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成的。定子的每對(duì)極上都繞有一對(duì)繞組，構(gòu)成一相繞組，共三相稱為 A、 B、 C相。 圖 31 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖 電機(jī)的位置和速度由繞組通電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由繞組通電的順序決定。 三相步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 32所示。 定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成的。定子的每對(duì)極上都繞有一對(duì)繞組，構(gòu)成一 相繞組，共三相稱為 A、 B、 C相。 曹祥：基于 PLC 三相六拍步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 圖 32三相步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 在定子磁極和轉(zhuǎn)子上都開(kāi)有齒分度相同的小齒，采用適當(dāng)?shù)凝X數(shù)配合，當(dāng) A相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒一一對(duì)應(yīng)時(shí)， B 相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒相互錯(cuò)開(kāi) 1/3 齒距， C 相則錯(cuò)開(kāi)2/3 齒距 [8]。如圖 33 所示： 圖 33定子磁極和轉(zhuǎn)子齒分度 電機(jī)的位置和速度由繞組通電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由繞組通電的順序決定。 (1)步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周后沒(méi)有累積誤差，具有良好的跟隨性。 (2)由 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非?？煽俊Ｍ瑫r(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。 (3)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。 (4)速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩。 (5)步進(jìn)電機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流和直流電源。 10 常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)的工作方式有以下三種： ： A B C A 圖 34三相單三拍工作方式時(shí)序圖 ： AB BC CA AB 圖 35三相雙三拍工作方式時(shí)序圖 ： A AB B BC C CA A 圖 36三相六拍工作方式時(shí)序圖 1控制步進(jìn)電機(jī)換向順序 通電換向這一過(guò)程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三相三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)?ABCD，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A、 B、 C、 D相的通斷[5]。 2控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 3控制步進(jìn)電機(jī)的速度 如果給步 進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 曹祥：基于 PLC 三相六拍步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 三相六拍步進(jìn)電機(jī)是一典型單定子、徑向分相、反應(yīng)式伺服電機(jī)。其結(jié)構(gòu)原理圖它與普通電機(jī)一樣 , 分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分 , 其中定子又分為定子鐵芯和定子繞組。定子鐵芯由電工鋼片疊壓而成。定子繞組繞制在定子鐵芯上 , 六個(gè)均勻分布齒上的線圈 , 在直徑方向上相對(duì)的兩個(gè)齒上的線圈串聯(lián)在一起 , 構(gòu)成一相控制繞組。三相步進(jìn)電機(jī)可構(gòu)成三相控制繞組 , 若任一 相繞組通電 , 便形成一組定子磁極。在定子的每個(gè)磁極上 , 即定子鐵芯上的每個(gè)齒上開(kāi)了五個(gè)小齒 , 齒槽等寬 , 齒間夾角為 9176。 , 轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組 , 只有均勻分布的個(gè) 40 小齒 , 齒槽也是等寬的 , 齒間夾角也是 , 與磁極上的小齒一致。此外 , 三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯(cuò)開(kāi) 1／ 3齒距 ,。當(dāng) A 相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒對(duì)齊時(shí) , B 相磁極上的齒剛好超前或滯后轉(zhuǎn)子齒輪 1／ 3齒距角 , C 相磁極齒超前或滯后轉(zhuǎn)子齒 2／ 3 齒距角。 圖 37三相六拍步進(jìn)電機(jī) 三相六拍步進(jìn)電機(jī)的工作原理；當(dāng) A 相繞組通電時(shí) , 轉(zhuǎn)子的齒與 定子 AA 上的齒對(duì)齊。若 A相斷電 , B 相通電 , 由于磁力的作用 , 轉(zhuǎn)子的齒與定子 BB上的齒對(duì)齊 , 轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò) 3176。 , 如果控制線路不停地按 A ACB ??? 的循環(huán)順序控制步進(jìn)電機(jī)繞組的通電、斷電 , 步進(jìn)電機(jī)的 轉(zhuǎn)子便不停地順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) , 這是三相三拍。而當(dāng) AB 同時(shí)通電時(shí) , 由于兩個(gè)滋力的作用 , 定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次 , 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 176。，原理與三相三拍相同 ,從而形成三相六拍 , 其通電順序?yàn)椋? 數(shù) 12 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，這個(gè)步距角可以稱之為“電機(jī)固有步距角”，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān) [5]。 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)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(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為 176。 /176。、三相的為 176。 /176。、五相的為 176。 /176。 。在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn) 電機(jī)來(lái)滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則“相數(shù)”將變得沒(méi)有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。 保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說(shuō) 2Nm 的步進(jìn)電機(jī)，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 2Nm 的步進(jìn)電機(jī)。 鉗制轉(zhuǎn)矩是指 步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒(méi)有鉗制轉(zhuǎn)矩。 步進(jìn)電機(jī)主要特點(diǎn) 1）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 35%，且不累積。 2）步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高時(shí)會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。 3） 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 4）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。 步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低， 然后按一定加速度升到所希望的高頻。 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一， 廣泛應(yīng)用在各種家電產(chǎn)品中，例如打印機(jī)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、玩具、雨刷、機(jī)械手臂和錄像機(jī)等。另外步進(jìn)電機(jī)也廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中。由于通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)可以很方便的控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的曹祥：基于 PLC 三相六拍步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 角位移，且步進(jìn)電機(jī)的誤差不積累，可以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。還可以通過(guò)控制頻率很方便的改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度，達(dá)到任意調(diào)速的目的，因此步進(jìn)電機(jī)可以廣泛的應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中 [6]。 14 第四章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 對(duì)三相六拍步進(jìn)電機(jī)的控制，主要為兩個(gè)方面：三相繞組的接通與斷開(kāi)順序控制以及步進(jìn)速度的控制。即：正轉(zhuǎn)順序： A— AB— B— BC— C— CA— A；反轉(zhuǎn)順序： A— AC— C— CB— B— BA— A 以及每個(gè)步距角 (每個(gè)箭頭 )的行進(jìn)速度。圍繞這兩個(gè)主要方面，可提出具體的控制要求如下： (1)可正轉(zhuǎn)起動(dòng)或反轉(zhuǎn)起動(dòng)； (2)運(yùn)行過(guò)程中，正反轉(zhuǎn)可隨時(shí)不停機(jī)切換； (3)步進(jìn)兩種速度可分為高速、低速兩檔，并 可隨時(shí)手控變速； (4)停止時(shí)，應(yīng)對(duì)移位寄存器清零，使每次起動(dòng)均從 A 相開(kāi)始。 由上述具體控制要求，可作出步進(jìn)電機(jī)在起動(dòng)運(yùn)行時(shí)的程序框圖，如圖 1 所示。以工作框圖為基本依據(jù)，結(jié)合考慮控制的具體要求，首先可將梯形圖程序分成 4個(gè)模塊進(jìn)行編程，即模塊 1：步進(jìn)速度選擇；模塊 2：起動(dòng)、停止和清零；模塊 3：移位步進(jìn)控制功能模塊；模塊 4： A、 B、 C 三相繞組對(duì)象控制。然后，將各模塊進(jìn)行連接，最后經(jīng)過(guò)調(diào)試、完善、實(shí)現(xiàn)控制要求 [9]。 曹祥：基于 PLC 三相六拍步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 圖 41 步進(jìn)電機(jī)控制程序流程圖 CPU 的選擇 本次 設(shè)計(jì)要求正反轉(zhuǎn)和高低速控制共五個(gè)輸入接口，控制 A,B， C 三相繞組三個(gè)輸出接口，所以選用 CPU222,六個(gè)輸入，四個(gè)輸出滿足控制要求 [11]。 控制步進(jìn)電機(jī)的歌輸入開(kāi)關(guān)及控制 A,B,C 三相繞組工作的輸出端在 PLC 中的 I/O 編址如表 21所示。 16 表 41 編址 輸入端 編址 輸出端 步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕 控制 A相繞組 步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕 控制 B相繞組 停止及清零按鈕 控制 C相繞組 低速開(kāi)關(guān) 高速開(kāi)關(guān) 采用位移指令進(jìn)行步進(jìn)控制。每右移 1位，電機(jī)前進(jìn)一個(gè)步距角，據(jù)此，可作出位移寄存器輸出狀態(tài)及步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)繞組的狀態(tài)真值表，從而得出三相繞組的控制邏輯關(guān)系式； 正轉(zhuǎn)時(shí) A相 =++ B相 =++ C相 =++ 反轉(zhuǎn)時(shí) A相 =++ B相 =++ C相 =++ 位移寄存器輸出狀態(tài)及步進(jìn)電機(jī)繞組狀態(tài)真值表 表 42 位移寄存器 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) A B C A B C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 I／ O 分配 曹祥