基于PLC控制的四相步進(jìn)電機(jī)的電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件之一，具有電脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能，可以將其轉(zhuǎn)換成直線位移或者角位移。電機(jī)的輸出位移量同輸入脈沖個(gè)數(shù)之間為正比關(guān)系，電機(jī)的轉(zhuǎn)速同脈沖頻率之間成正比關(guān)系，電機(jī)的轉(zhuǎn)向同各相繞組的相序也存在直接關(guān)聯(lián)。因此，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)向以及輸出位移量的控制，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)、脈沖頻率和各相電機(jī)繞組的相序來(lái)實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停車、反轉(zhuǎn)等各種運(yùn)行方式都可通過(guò)少數(shù)脈沖改變，且控制精度高，應(yīng)用廣泛。 1、PLC的特點(diǎn)與應(yīng)用 PLC是可編程序控制器的簡(jiǎn)稱，PLC的研制基礎(chǔ)是繼電器控制以及計(jì)算機(jī)控制，作為新型的工業(yè)自動(dòng)控制裝置，其核心是微處理器，將自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、通訊等技術(shù)于一體，具有安全可靠、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、編寫程序簡(jiǎn)單方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 1.1較高的可靠性 PLC的I/O接口電路全部使用的是光電隔離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)外電路同內(nèi)電路之間的電氣隔離；RC濾波器的全面使用，縮短了濾波時(shí)間，通常僅需10～20ms；屏蔽措施的廣泛應(yīng)用，有效避免了輻射干擾；開關(guān)電源具有良好的自診斷功能，性能優(yōu)良，如果遇到電源故障或者軟硬件問(wèn)題，CPU可以立即進(jìn)行分析處理；其使用的編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單而方便，信息保護(hù)和恢復(fù)功能易于實(shí)現(xiàn)；警戒時(shí)鐘WDT的應(yīng)用給用戶帶來(lái)很大方便；能夠?qū)崿F(xiàn)程序備份功能以及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)電池的后備功能。這些措施保證了PLC具有較高的可靠性。 1.2模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通用性較強(qiáng) PLC廠家為用戶提供有多種多樣的功能模塊，開發(fā)出了各種系列化的產(chǎn)品。用戶可以按照實(shí)際需要，選擇適合的PLC產(chǎn)品，進(jìn)而組建符合需求的控制系統(tǒng)。應(yīng)用設(shè)計(jì)過(guò)程中，用戶大都無(wú)需制作各種附加裝置。PLC生產(chǎn)廠家為滿足工業(yè)控制需求，CPU、電源、I/O等構(gòu)成了PLC的主要組成部件，其結(jié)構(gòu)大都按模塊化設(shè)計(jì)，各模塊之間主要通過(guò)機(jī)架和電纜連接，用戶可以按照系統(tǒng)規(guī)模和功能自行組合模塊，簡(jiǎn)單靈活，方便實(shí)用。另外，PLC的I/O接口模塊十分豐富、編程方法簡(jiǎn)單多樣，安裝容易、維修方便。 1.3PLC的應(yīng)用 PLC如今已在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在機(jī)械行業(yè)、冶金行業(yè)、輕工行業(yè)、石化行業(yè)、電力行業(yè)、紡織行業(yè)、電子產(chǎn)業(yè)、食品行業(yè)等多種行業(yè)中都發(fā)揮著不可替代的重要作用。有研究表明，80%以上的工業(yè)控制能夠通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)。PLC能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯順序控制功能，數(shù)據(jù)處理功能，對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制功能以及通信互聯(lián)網(wǎng)等多種功能。PLC能夠?qū)崿F(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)的功能，并且能夠提高其抗干擾能力和可靠性。 2、步進(jìn)電機(jī)的控制方法 2.1四相步進(jìn)電機(jī)的控制要求 其主要是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)以及步數(shù)的控制。 2.2轉(zhuǎn)速控制 輸入脈沖頻率是決定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵因素。由圖1可知，輸入脈沖周期如果發(fā)生改變，A、B、C、D四相繞組的高低電平寬度必須同時(shí)發(fā)生改變。造成通電、斷電的變化速率發(fā)生改變，進(jìn)而影響電機(jī)轉(zhuǎn)速。 2.3正反轉(zhuǎn)控制 可以通過(guò)改變各繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制。四相雙四拍步進(jìn)電機(jī)通電順是AB—BC—CD—DA—AB……此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)繞組通電順序是AD—DC—CB—BA—AD……此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。所以，通過(guò)改變輸出脈沖順序，進(jìn)而改變各繞組的通電順序，就能完成對(duì)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制。 2.4步數(shù)控制 每輸入一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)前進(jìn)一步，其輸出的角位移同輸入脈沖數(shù)之間是正比關(guān)系。為此，我們可以按照其輸出位移量的大小，對(duì)PLC的輸出脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，從而控制電機(jī)的步數(shù)。其公式為： n=△L/δ 在此公式中，△L代表電機(jī)的輸出位移量(mm)，δ代表脈沖當(dāng)量(mm/脈沖)。 3、基于PLC控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方案 因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)量的誤差累積，因此，無(wú)需反饋信號(hào)的開環(huán)控制是步進(jìn)電機(jī)控制的最大特點(diǎn)。該P(yáng)LC控制系統(tǒng)使用三菱FX2—32MR，參見圖2。 按照要求，I/O的分配情況參見表1。 3.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 基于PLC控制的四相步進(jìn)電機(jī)大致分為兩種：其一是通用PLC控制的步進(jìn)電機(jī)，其二是PLC專用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊控制的步進(jìn)電機(jī)。模塊控制相對(duì)可靠性較高，通用PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單，工程造價(jià)相對(duì)較低，各有所長(zhǎng)。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路參見圖3。 圖3列出了四項(xiàng)驅(qū)動(dòng)電路之一，其余三相以為標(biāo)準(zhǔn)。如圖所示，三極管T1的作用相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，如果三極管T1截止，那么集電極電流呈現(xiàn)流通狀態(tài)，此時(shí)開關(guān)就會(huì)斷開；如果三極管T1飽和，那么集電極電流增大，此時(shí)開關(guān)就會(huì)閉合，要想控制該開關(guān)，需要首先控制加于基極的電流。三極管T2和三極管T3共同組合成了達(dá)林頓式功放電路，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的四個(gè)繞組功能，其能夠使電機(jī)繞組的靜態(tài)電流達(dá)到2A。而光電耦合器的作用主要是有效控制和驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離。如果輸入信號(hào)是低電平，三極管T1截止，輸出信號(hào)為高電平，那么此時(shí)紅外發(fā)光二極管就會(huì)截止，而光敏三極管也不會(huì)導(dǎo)通，因此繞組中并沒(méi)有電流流過(guò)；如果輸入信號(hào)是高電平，三極管T1飽和，那么此時(shí)紅外發(fā)光二極管就會(huì)發(fā)光，而光敏三極管也會(huì)隨之導(dǎo)通，并向功率驅(qū)動(dòng)級(jí)晶體管供給基極電流，因此繞組中會(huì)有電流導(dǎo)通。 3.2PLC控制四相步進(jìn)電機(jī)的方法 3.2.1步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制實(shí)現(xiàn)方法 眾所周知，脈沖是由脈沖發(fā)生器按照周期運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，為此，我們首先要對(duì)脈沖控制器進(jìn)行選擇，然而再經(jīng)由環(huán)形分配器實(shí)現(xiàn)如下圖所示Y0、Y1、Y2、Y3四個(gè)輸出繼電器按照雙四拍的通電方式進(jìn)行接通。 3.2.2步進(jìn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的控制實(shí)現(xiàn)方法 我們可以通過(guò)對(duì)改變各繞組的通電順序的方法來(lái)控制如圖Y0和Y1，Y2和Y3的接通順序。達(dá)到正、反轉(zhuǎn)控制目的。即 4、結(jié)語(yǔ) 基于PLC控制的步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)便可行、操作性強(qiáng)、可靠性高，控制參數(shù)改變?nèi)菀?，PLC的I/O接口占用較少，同時(shí)外聯(lián)接口較為方便，這樣就最大程度地降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作量，使系統(tǒng)開發(fā)周期變短，并且節(jié)省財(cái)力，具有較高的推廣和應(yīng)用價(jià)值。 參考文獻(xiàn) [1]金洪翔,李凡,安冀昀.簡(jiǎn)述四相八拍步進(jìn)電機(jī)的PLC編程控制[J].黑龍江科技信息;2009年22期. [2]詹躍東,電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2002,12. [3]林春方.可編程控制器原理及其應(yīng)用.上海:上海交通大學(xué)出版社[M],2004.