【文章內(nèi)容簡介】 況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻。 步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的主要應(yīng)用步進(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)、磁盤驅(qū)動器、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)自動化系統(tǒng)中。由于通過控制脈沖個數(shù)可以很方便的控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角位移，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)用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)中[6]。 PLC的概述可編程控制器(簡稱 PLC) 是種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是在20 世紀(jì) 60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國科學(xué)家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲器，其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)的。PLC 自產(chǎn)生至今只有30多年的歷史，卻得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一。產(chǎn)生和發(fā)展過程現(xiàn)代社會要求生產(chǎn)廠家對市場的需求做出迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無法滿足這一要求，迫使人們?nèi)ふ乙环N新的控制裝置取而代之。PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同:1）中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。2）存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器[7]。 PLC技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中的應(yīng)用隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制、順序控制的范圍。繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動機(jī)也必須越來越小。對電動機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動機(jī)本體綜合設(shè)計(jì)在一起，這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性。向五相和三相電動機(jī)方向發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動機(jī)，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機(jī)具有優(yōu)勢性。而就這兩種電動機(jī)而言，五相電動機(jī)的驅(qū)動電路比三相電動機(jī)復(fù)雜，因此三相電動機(jī)系統(tǒng)的性能價格比要比五相電動機(jī)更好一些[8]。目前利用可編程序控制器（即PLC技術(shù)）可以方便地實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度和位置的控制，方便地進(jìn)行各種步進(jìn)電機(jī)的操作，完成各種復(fù)雜的工作，它代表了先進(jìn)的工業(yè)自動化革命，加速了機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)。用PLC對步進(jìn)電機(jī)也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運(yùn)動控制功能，現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制[9]。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當(dāng)對其施加一個電脈沖時，其輸出軸便轉(zhuǎn)過一個固定的角度。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電的相序，便可控制步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向[10]。PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由PLC和步進(jìn)電機(jī)組成，PLC具有實(shí)時刷新技術(shù)，輸出信號的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫茲或更高，使得脈沖分配能有很高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個系統(tǒng)的快速性。并且，PLC有采用大功率晶體管的輸出端口，能夠滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)10V級脈沖電壓、1A級脈沖電流的驅(qū)動要求[11]。有以上步進(jìn)電機(jī)的工作原理以及工作方式我們可以看出：控制步進(jìn)電機(jī)最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。西門子PLC本身帶有高速脈沖計(jì)數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為10KHz，能夠滿足步進(jìn)電動機(jī)的要求。對PLC提出兩個特性要求。一是在此應(yīng)用的PLC最好是具有實(shí)時刷新技術(shù)的PLC，使輸出信號的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫芝或更高。其目的是使脈沖能有較高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個系統(tǒng)的快速性。二是PLC本身的輸出端口應(yīng)該采用大功率晶體管，以滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅(qū)動要求[12]。如下圖所示：PLC步進(jìn)電機(jī)輸入信號圖24 步進(jìn)電機(jī)的PLC直接控制 步進(jìn)電機(jī)原理簡述 步進(jìn)電動機(jī)是一種將數(shù)字式電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的機(jī)電元件，每一個脈沖信號可以使步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)一步，轉(zhuǎn)過的角度與控制脈沖的個數(shù)呈嚴(yán)格的正比關(guān)系。其運(yùn)行速度與控制脈沖頻率呈嚴(yán)格的正比關(guān)系，正是這個特點(diǎn)，使其可以和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合，成為比較理想的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)主要應(yīng)用于開環(huán)位置控制系統(tǒng)中。目前步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、鐘表、包裝機(jī)械、食品機(jī)械中得到廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。以二相步進(jìn)電機(jī)為例，定子上有兩組相對的磁極，每對磁極纏有同一繞組，形成一相。定子和轉(zhuǎn)子上分布著大小、間距相同的多個小齒。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)某一相通電形成磁場后，在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子被強(qiáng)行推動到最大磁導(dǎo)率（或最小磁阻）的位置。步進(jìn)電機(jī)接收到一個脈沖信號，就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個步距角θ，對于一個m相n拍的步進(jìn)電機(jī)來說，每走完n拍，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個齒距角φ，所以齒距角φ與步距角θ的關(guān)系為：從控制原理上，步進(jìn)電機(jī)可以分為反應(yīng)式、永磁式和混合式步進(jìn)電機(jī)三大類；按照控制繞組的相數(shù)可以分為兩相、三相、四相……。 ① 相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)，用ｍ表示。② 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，或指步進(jìn)電機(jī)走過一個齒距角所需脈沖數(shù)，用ｎ表示。③ 齒距角：步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上均勻地分布著許多小齒，相鄰兩個小齒的中心線間的角度稱為齒距角，用φ表示。④步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角位移，用θ表示。本設(shè)計(jì)中用到的步進(jìn)電機(jī)為兩相步進(jìn)電機(jī)。該步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子共有50個齒，176。，相電壓為5V。 兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路圖圖中TL1～TL4對應(yīng)的是面板上的插孔。圖中標(biāo)注的A及，B及分別表示步進(jìn)電機(jī)的定子的兩相繞組的四個端子。⑸ 兩相步進(jìn)電機(jī)的通電方式：①單四拍通電方式：每次只有一相繞組通電，四拍構(gòu)成一定循環(huán)。兩相繞組按照A—B———A的次序輪流通電。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子齒距。② 雙四拍通電方式：每次有兩相繞組同時通電，兩相控制繞組按AB—B——A—AB的次序輪流通電。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度與單四拍相等都是轉(zhuǎn)子齒距，但與單四拍的空間定位不重合。③ 單、雙八拍的通電方式：上兩種通電方式的循環(huán)拍數(shù)等于4，稱為滿步通電方式。若通電方式等于8，稱為半步通電方式，即按A—AB—B—B————A—A的次序通電。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子齒距。⑹ 在上述通電方式中，改變通電的循環(huán)方向即可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，改變通電的頻率，即可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 PLC控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路 步進(jìn)電機(jī)控制方式典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖所示： 典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 步進(jìn)電動機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了一個大的發(fā)展階段后，日前其發(fā)展趨向平緩。然而，其基本原理是不變的，即：是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，每當(dāng)對其施加一個電脈沖時，其輸出轉(zhuǎn)過一個固定的角度。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與單位時間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的脈沖順序有關(guān)。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電的順序，便可控制步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量、速度和轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)的機(jī)理是基于最基本的電磁鐵作用，可簡單地定義為，根據(jù)輸人的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度或長度，若不改變勵磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動機(jī):從廣義上講，步進(jìn)電動機(jī)是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電機(jī)，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電動機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動方法很多，按照使用的控制裝置來分可以分為:普通集成電路控制、單片機(jī)控制、工業(yè)控制機(jī)控制、可編程控制器控制等幾種；按照控制結(jié)構(gòu)可分為:硬脈沖生成器硬脈沖分配結(jié)構(gòu)(硬硬結(jié)構(gòu))、軟脈沖生成器軟脈沖分配器結(jié)構(gòu)(軟軟結(jié)構(gòu))、軟脈沖生成器硬脈沖分配器結(jié)構(gòu)(軟硬結(jié)構(gòu))。1．硬——硬結(jié)構(gòu) ，這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動系統(tǒng)由硬件電路脈沖生成器、硬件電路脈沖分配器、驅(qū)動器組成。這種控制驅(qū)動方式運(yùn)行速度比較快，但是電路復(fù)雜，功能單一。2．軟——軟結(jié)構(gòu)，這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動系統(tǒng)由軟件程序脈沖生成器、軟件程序脈沖分配器、驅(qū)動器組成，而軟件脈沖生成器和脈沖分配器都有微處理器或微控制器通過編程實(shí)現(xiàn)。用單片機(jī)、工業(yè)控制機(jī)、普通個人計(jì)算機(jī)、可編程序控制器控制步進(jìn)電機(jī)一般均可采用這種結(jié)構(gòu)。這種控制驅(qū)動方法電路結(jié)構(gòu)簡單、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，但是占用CPU時間多，給微處理器運(yùn)行其他工作造成困難。3．軟——硬結(jié)構(gòu)，這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動系統(tǒng)由軟件脈沖生成器、硬件脈沖分配器和硬件驅(qū)動器組成。硬件脈沖分配器是通過脈沖分配器芯片(如8713芯片)來實(shí)現(xiàn)通電換相控制的。這種控制驅(qū)動方法電路結(jié)構(gòu)簡單、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，同時占用CPU時間較少，用可編程控制器全部實(shí)現(xiàn)了控制器和驅(qū)動器的功能。在PLC中，由軟件代替了脈沖生成器和脈沖分配器，直接對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行并行控制，并且由PLC輸出端口直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。，這是一種軟軟結(jié)構(gòu)，脈沖生成器和脈沖分配器均有可編程序控制器程序?qū)崿F(xiàn)。 硬硬結(jié)構(gòu)控制 軟軟結(jié)構(gòu)控制 軟硬結(jié)構(gòu)控制