基于PLC的步进电机调速和正反转控制系统

基于PLC的步进电机调速和正反转控制系统(一)2010-08-2210:40:38来源：作者:点击数：972次评论:0条关键词：步进电机调速PLC一、引言数控技术是采用数字代码形式的信息,按给定的工作程序、运动速度和轨迹,对被控制的对象进行自动操作的一种技术。从数控机床最终要完成的任务看,主要有主轴运动。和普通车床一样,主运动主要完成切削任务,其动力约占整台机床动力的70～80%。基本是步进电动机和伺服电机对主轴的正、反转和停止控制拖动,可自动换档及无级调速。通过对步进电动机的调速和正反转PLC控制的研究,进一步提高机械生产制造的自动化。二、步进电动机结构、步进过程原理1.步进电动机步进电动机伺服系统是典型的开环伺服系统。在这种开环伺服系统中,执行元件是步进电动机。步进电动机把进给脉冲转换为机械角位移,并由传动丝杠带动工作台移动。由于该系统中为位置和速度检测环节,因此它的精度主要由步进电动机的步距角和与之相联系的丝杠等传动机构所决定。步进电动机的最高极限速度通常要比伺服电动机低,并且在低速时容易产生振动,影响加工精度。但步进电动机开环伺服系统的控制和结构简单,调整容易,在速度和精度要求不高的场合具有一定的使用价值。步进电动机细分技术的应用,使步进电动机开环伺服系统的定位精度明显提高;并且降低了步进电动机低速振动,使步进电动机在中低速场合的开环伺服系统中得到更广泛的应用。反应式步进电动机转子中无绕组,定子绕组励磁后产生反应力矩,使转子转动。这是我国主要发展的类型,已于上世纪70年代末形成完整的系列,有比较好的性能指标。反应式步进电动机有较高的力矩转动惯量比,步进频率较高,频率响应快,不通电时可以自由转动、结构简单、寿命长的特点。反应式步进电动机的工作原理从图1a中可以看出,在定子上有六个大极,每个极上绕有绕组。每对对称的大极绕组形成一相控制绕组。这样形成A、B、C三相绕组。极间夹角为60°。在每个大极上,面向转子的部分分布着多个小齿,这些小齿呈梳状排列,大小相同,间距相等。转子上均匀分布40个齿,大小和间距与大齿上相同。当某相(如A相)上的定子和转子上的小齿由于通电电磁力使之对齐时,另外两相(B相,C相)上的小齿分别向前或向后产生三分之一齿的错齿,这种错齿是实现步进旋转的根本原因。这时如果在A相断电的同时,另外某一相通电,则电动机的这个相由于电磁吸力的作用使之对齐,产生旋转。步进电动机每走一步,旋转的角度是错齿的角度。错齿的角度越小,所产生的步距角越小,步进精度越高。现在步进电动机的步距角通常为3°;1.8°;1.5°;0.9°;0.5°到0.09°等。步距角越小,步进电动机结构越复杂。(a)反应式步进电动机结构原理(b)步进电动机步进过程原理图1反应式步进电动机结构与步进过程原理2.步进电动机的有关术语:相数:电动机定子上有磁极,磁极对数称为相数。如图1a有6个磁极,则为三相,称该电动机为三相步进电动机。10个磁极为五相,称该电动机为五相步进电动机。拍数:电动机定子绕组每改变一次通电方式称为一拍。步距角:转子经过一拍转过的空间角度用符号α表示。齿距角:转子上齿距在空间的角度。如转子上有N个齿,齿距角θ。3.步进电动机的通电方式及步距角(1)步进电动机的通电方式步进电动机有单相轮流通电,双相轮流通电,单双相轮流通电几种通电方式。三相单三拍。我们把对一相绕组一次通电的操作称为一拍,则对三相绕组A、B、C轮流通电三拍,才使转子转过一个齿,转一齿所需的拍数为工作拍数。对A、B、C三相轮流通电一次称为一个通电周期,步进电动机转动一个齿距。对于三相步进电动机,如果三拍转过一个齿,称为三相三拍工作方式。由于按A→B→C→A相序顺序轮流通电,则磁场逆时针旋转,则转子也逆时针旋转,反之则顺时针转动。这种通电方式只有一相通电,容易使转子在平衡位置上发生振荡,稳定性不好。而且在转换时,由于一相断电时,另一相刚开始通电,易失步(指不能严格地对应一个脉冲转一步),因而不常采用这种通电方式。步距角系数c=1。双相双三拍。这种通电方式由于两相同时通电,其通电顺序为AB→BC→CA→AB,控制电流切换三次,磁场旋转一周,双相双三拍转子受到的感应力矩大,静态误差小,定位精度高,而且转换时始终有一相通电,可以使工作稳定,不易失步。其步距角和单三拍相同,步距角系数c=1。三相六拍。如果我们把单三拍和双三拍的工作方式结合起来,就形成六拍工作方式,这时通电次序为:A→AB→B→BC→C→CA→A。在六拍工作方式中,控制电流切换六次,磁场旋转一周,转子转动一个齿距角。所以齿距角是单拍工作时的二分之一。每一相是连续三拍通电(如图4所示),这时电流最大,且电磁转矩也最大。且由于通电状态数增加一倍,而使步距角减少一倍。步距角系数c=2。(2)步距角的计算设步进电动机的转子齿数为N,则它的齿距角为(1)由于步进电动机运行K拍可使转子转动一个齿距角,所以每一拍的步距角可以表示为(2)式中K——步进电动机的工作拍数;N——转子齿数。基于PLC的步进电机调速和正反转控制系统(二)2010-08-2210:40:38来源：作者:点击数：973次评论:0条关键词：步进电机调速PLC或(3)式中m—相数z—步进电动机转子齿数。c—步距角系数如果按单相对于转子有40齿并且采用三拍工作的步进电动机,其步距角为:=360°/N×K=360°/40×3=3°。或=360°/mzc=360°/40×3×1=3°。如果按单、双相通电方式运行则三相步进电动机的转子齿数z=40,步距角系数c=2,其步距角为:=360°/mzc=360°/40×3×2=1.5°。三、基于基本逻辑指令和常用指令的步进电动机调速和正反转控制系统通过研究也能用基本逻辑指令和常用指令能对三相步进电机的转速控制;可实现对三相步进电动机的正反转控制和步数进行控制。三相步进电动机的转速控制,分慢速、中速和快速三挡,分别通过开关S1、S2和S3选择;正反转控制由开关S4选择(X004为ON,正转;X004为OFF,反转);步数控制分单步、10步和100步三挡,分别通过按钮SB1、开关S6和S7开关选择;停止用按钮SB2控制。1.输入和输出点分配对步进电动机正反转和调速、步数控制输入和输出点分配见表1。3.2PLC配置及接线图3.3控制程序三相步进电动机控制程序设计的梯形图如图6所示。①转速控制。由脉冲发生器产生不同周期T的控制脉冲,通过脉冲控制器的选择,再通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y000、Y001和Y002按照单双六拍的通电方式接通,其接通顺序为:该过程对应于三相步进电动机的通电顺序是:选择不同的脉冲周期T,以获得不同频率的控制脉冲,从而实现对步进电动机的调速。②正反转控制。通过正、反转驱动环节(调换相序),改变Y000、Y001和Y002接通的顺序,以实现步进电动机的正、反转控制。即正转:反转:③步数控制。通过脉冲计数器,控制六拍时序脉冲数,以实现对步进电动机步数的控制。3.4运行与调试程序将图6的梯形图编写对应的指令程序,并将其写入PLC的RAM,运行调试程序。①转速控制。选择慢速(接通S1),接通启动开关S0。脉冲控制器产生周期为1s的控制脉冲,使M0~M5的状态随脉冲向右移位,产生六拍时序脉冲,并通过三相六拍环形分配器使Y000、Y001和Y002按照单双六拍的通电方式接通,步进电动机开始慢速步进运行。断开S1、S0;接通S2、S0或S3、S0,观察步进电动机的转速控制运行情况。②正反转控制。先接通正、反转开关S4,再重复上述转速控制操作,观察步进电动机的运行情况。③步数控制。选择慢速(接通S1);选择10步(接通S6);接通启动开关S0。六拍时序脉冲及三相六拍环形分配器开始工作;计数器开始计数。当走完预定步数时,计数器动作,其常闭触点断开移位驱步进电动机动电路,六拍时序脉冲、三相六拍环形分配器及正反转驱动环节停止工作。步进电动机停转。在选择慢速的前提下,再选择单步或100步重复上述操作,观察步进电动机的运行情况。四、结束语本文介绍的步进电动机的步数控制、正反转控制、转速控制,用PLC的解码、编码指令实现对控制项目的研究具有较高的性价比,可以实现生产过程的自动化控制,也可以进行普通车床数控化改造,人机界面良好,系统投入运行后,抗干扰强,运行可靠,维护量小,可获得良好效果。