2022年步进电机的PLC控制系统设计 .pdf

随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有效结合，可进行模拟量控制，具有远程通信功能等。有人将其称为现代工业控制的三大支柱（即PLC，机器人，CAD/CAM）之一。目前可编程序控制器（Programmable Controller）简称 PLC 已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具。一、引言PLC 采用了典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM 和输入/输出接口电路等。如果把 PLC 看作一个系统，该系统由输入变量-PLC-输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的信号均作为PLC 的输入变量，它们经 PLC 外部端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其它各种运算、处理后送到输出端子，它们是PLC 的输出变量，由这些输出变量对外围设备进行各种控制。二、PLC的基本结构三、控制方法及研究(1)脉冲输出1、FP1 的特殊功能简介FP1的输出端 Y7 可输出脉冲，脉冲频率可通过软件编程进行调节，其输出频率范围为 360Hz5kHz。(2)高速计数器（HSC）FP1内部有高速计数器，可同时输入两路脉冲，最高计数频率为10kHz，计数范围-8388608+8388607。(3)输入延时滤波FP1的输入端采用输入延时滤波，可防止因开关机械抖动带来的不可靠性，其延时时间可根据需要进行调节，调节范围为1ms128ms。(4)中断功能FP1的中断有两种类型，一种是外部硬中断，一种是内部定时中断。FP1有一条 SPD0指令，该指令配合HSC和 Y7 的脉冲输出功能可实现速度及位置控制。速度控制梯形图见图1，控制方式参数见图2，脉冲输出频率设定曲线见图3。2、步进电机的速度控制名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 10 页 -图 1 速度控制梯形图图 2 控制方式参数图 3 脉冲输出频率设定曲线3、控制系统的程序运行名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 10 页 -图 4 控制系统原理图图 4 是控制系统的原理接线图，图 4 中 Y7 输出的脉冲作为步进电机的时钟脉冲，经驱动器产生节拍脉冲，控制步进电机运转。同时Y7 接至 PLC 的输入接点 X0，并经 X0 送至 PLC 内部的HSC。HSC计数 Y7 的脉冲数，当达到预定值时发生中断，使Y7 的脉冲频率切换至下一参数，从而实现较准确的位置控制。实现这一控制的梯形图见图5。图 5 控制梯形图控制系统的运行程序：第一句是将DT9044 和 DT9045清零，即为 HSC进行计数做准备;第二句第五句是建立参数表，参数存放在以 DT20 为首地址的数据寄存器区;最后一句是启动SPD0指令，执行到这句则从DT20 开始取出设定的参数并完成相应的控制要求。由第一句可知第一个参数是K0，是 PULSE方式的特征值，由此规定了输出方式。第二个参数是 K70，对应脉冲频率为500Hz，于是 Y7 发出频率为 500Hz 的脉冲。第三个参数是K1000，即按此频率发 1000 个脉冲后则切换到下一个频率。而下一个频率即最后一个参数是K0，所以当执行到这一步时脉冲停止，于是电机停转。故当运行此程序时即可使步进电机按照规定的速度、预定的转数驱动控制对象，使之达到预定位置后自动停止。利用可编程序控制器可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便可靠地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作。它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实三、结束语名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 10 页 -摘要：在 PLC 步进电机控制系统中，输入到其线圈绕组中的脉冲数或脉冲频率可控制步进电动机的角位移和转速，在给步进电机的各线圈绕组输入脉冲时需要进行脉冲分配器分配脉冲，脉冲分配可以由软件进行设计，也可以由硬件组成。以OMRON 的 C 系列 P 型机为例，讨论步进电机的PLC 控制系统的软件设计方法。关键词：可编程控制器（PLC）；步进电动机；接线图；梯形图在对传统机床的数控化改造中，用可编程控制器PLC 作为控制器对机床电气控制系统的改造越来越突出。其主要部分是对数控机床的典型执行元件步进电机的控制。我们知道步进电机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转换成相应角位移的电机，步进电机每输入一个电脉冲就前进一步，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比，因此只要控制输入到其线圈绕组中的脉冲数或者脉冲频率即可控制步进电动机的角位移和转速，但给步进电动机的各线圈绕组输入的脉冲还需要进行脉冲分配器的分配。利用PLC 控制步进电动机，其脉冲分配可以由软件进行设计，还可以由硬件来组成。本文作者以OMRON 的 C 系列 P 型机为例，讨论步进电动机用软件分配脉冲的设计方法。一、步进电动机PLC 控制系统I/O 接线图设计步进电动机以最常用的三相六拍通电方式工作，并要求步进电动机设有快速、慢速控制、正反转及单步控制4 种控制方式。根据要求，可选用C28P CDT D的 PLC 进行控制并设计出步进电动机的PLC 控制系统I/O 接线图（图1）。图 1 步进电动机的PLC 控制系统I/O 接线图二、步进电动机PLC 控制系统梯形图设计据控制要求设计了PLC 控制系统梯形图见图2。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 10 页 -图 2 步进电动机的PLC 控制系统梯形图（1）用移位寄存器SFT10 10 的 1000 1005 产生六拍的时序脉冲，在CP 端的移位脉冲信号1106 的作用下，将IN 端的信号依次移入10001005，每移 1 位为 1 拍，6 拍为1 循环，移位时所产生的时钟脉冲频率由移位脉冲信号频率决定。（2）辅助继电器1200、1201、1202 组成三相六拍环形分配器。在10001005 产生的六拍时序脉冲作用下，1200、1201、1202 的通电顺序见图3。图 3通电顺序（3）由 0500、0501、0502 实现步进电动机的正反转驱动控制。当正反转按钮SB5 常开时，输入点0005 断开，步进电动机的通电顺序为：0500（A相）0500、0501（A、B 相）0501（B 相）0501、0502（B、C 相）0502（C 相）0502、0500（C、A 相）0500（A）.，此时步进电动机正转;名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 10 页 -按 SB5 时，输入点 0005 接通，则通电次序是BB、AAA、CCC、BB.，此时电机反转。按SB1 起动铵钮时，输入点0001 接通，步进电动机可以实现三相六拍通电。（4）脉冲控制器由1105、1106、1107 组成。步进电动机的脉冲频率控制按4 种控制方式的要求可分为：快速方式由辅助继电器1105 的常闭接点和其线圈构成的振荡器，该振荡器产生的快速振荡脉冲，其周期为程序的1 个扫描周期;慢速方式由特殊继电器1900 产生 011s 的时钟脉冲;单步方式利用前沿微分指令（DIFU），由辅助继电器产生单步脉冲，其脉冲频率由SB6 控制;脉冲控制器1107 产生不同频率的脉冲，作为移位寄存器的移位信号。PLC 控制步进电机的实例(图与程序 采用绝对位置控制指令(DRVA)，大致阐述 FX1S 控制步进电机的方法。由于水平有限，本实例采用非专业述语论述，请勿引用。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 10 页 -FX 系列 PLC 单元能同时输出两组100KHZ脉冲，是低成本控制伺服与步进电机的较好选择！PLS+，PLS-为步进驱动器的脉冲信号端子，DIR+，DIR-为步进驱动器的方向信号端子。所谓绝对位置控制(DRVA),就是指定要走到距离原点的位置，原点位置数据存放于32 位寄存器 D8140里。当机械位于我们设定的原点位置时用程序把D8140的值清零，也就确定了原点的位置。实例动作方式：X0 闭合动作到A 点停止，X1 闭合动作到B 点停止，接线图与动作位置示例如左图(距离用脉冲数表示)。程序如下图：(此程序只为说明用，实用需改善。)说明：在原点时将D8140的值清零(本程序中没有做此功能)32 位寄存器 D8140是存放 Y0 的输出脉冲数，正转时增加，反转时减少。当正转动作到 A 点时，D8140的值是 3000。此时闭合 X1，机械反转动作到B 点，也就是-3000的位置。D8140的值就是-3000。当机械从 A 点向 B 点动作过程中，X1 断开(如在 C 点断开)则 D8140的值就是 200，此时再闭合X0，机械正转动作到A 点停止。当机械停在A 点时，再闭合X0，因为机械已经在距离原点3000的位置上，故而机械没有动作！把程序中的绝对位置指令(DRVA)换成相对位置指令(DRVI)：当机械在 B 点时(假设此时 D8140的值是-3000)闭合 X0，则机械正转3000个脉冲停止，也就是停在了原点。D8140的值为 0 当机械在 B 点时(假设此时 D8140的值是-3000)闭合 X1，则机械反转3000个脉冲停止，也就是停在了左边距离B 点 3000的位置(图中未画出)，D8140的值为-6000。一般两相步进电机驱动器端子示意图：FREE+，FREE-：脱机信号，步进电机的没有脉冲信号输入时具有自锁功能，也就是锁住转子不动。而当有脱机信号时解除自锁功能，转子处于自由状态并且不响应步进脉冲。V+，GND：为驱动器直流电源端子，也有交流供电类型。A+，A-，B+，B-分别接步进电机的两相线圈。此主题相关图片如下：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 10 页 -此主题相关图片如下：步进电机开环伺服机构应用1 概述在组合机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台（1）液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工工序中；（2）机械滑台，用于切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中；（3）数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。可编程控制器（简称PLC）以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及CNC 机床的 S、T、M 功能控制更显示出其卓越的性能。PLC 控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低7090%，甚至只占用自动线控制单元PLC 的 35个 I/O 接口及 4时，对于大型生产线应该予以充分考虑。采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC 的I/O口点数，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动器将PLC 输出的控制脉冲放大到几十 上百伏特、几安 十几安的驱动能力。一般 PLC 的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几 几十伏特、几十 几百毫安。但对于功率步进电机则要求几十 上百伏特、几安 十几安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。5.2 可编程控制器的接口如伺服机构采用硬件环行分配器，则占用PLC 的 I/O 口点数少于5 点，一般仅为3 点。其中 I 口占用一点，作为启动控制信号；O 口占用 2 点，一点作为PLC 的脉冲输出接口，接至伺服系统硬环的时钟脉冲输入端，另一点作为步进电机转向控制信号，接至硬环的相序分配控制端，如图3 所示；伺服系统采用软件环行分配器时，6 应用实例与结论将 PLC 控制的开环伺服机构用于某大型生产线的数控滑台，每个滑台仅占用4 个 I/O 接口，节省了 CNC 控制系统，其脉冲当量为0.010.05mm,进给速度为Vf=315m/min,完全满足工艺要求和加工精度要求名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 10 页 -