PLC控制步进电机加减速运行的设计

2011-04-27沈阳航空职业技术学院张博舒张连华

电子世界 2011年11期

关键词：脉冲数包络线驱动器

沈阳航空职业技术学院徐宁张博舒张连华李虹

步进电机是数字控制系统中的执行电动机，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制[1]。

目前世界上主要的PLC厂家生产的PLC均有专门的步进电机控制指令，可以很方便地和步进电机构成运动控制系统。PLC要和步进电机配合实现运动控制，还需要在PLC内部进行一系列设定，或者是编制一定的程序。

1.硬件的设计

1.1 PLC的选择

本次研究中PLC要和步进电机配合实现运动控制，需要在PLC内部进行设定并编制一定的程序。另外，步进电机控制是要用高速脉冲控制的，所以PLC必须是可以输出高速脉冲的晶体管输出形式，不可以使用继电器输出形式的PLC来控制步进电机。

由于此设计对PLC的要求并不是很高，输入/输出点所用不多，程序量不是很大，所以用西门子S7-200CPU226型PLC就可以满足要求。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高[2]。

1.2 步进电机的选择

在选择步进电动机时主要考虑的是步进电动机的类型选择，根据系统要求，确定步进电动机的电压值、电流值以及有无定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，从而就可以确定步进电动机的相数和拍数。

这次设计所选用的步进电机为57BYG2 50C型，它的数据参数如表1所示。

表1 57BYG250C型步进电机的数据参数

1.3 步进电机驱动器的选择

步进电机的运行要由一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。

一般来说，对于两相四根线电机，可以直接和驱动器相连，以两相混合步进电动机驱动器为例，主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分组成[3]。所有型号驱动器的输入信号都相同，共有三路信号，它们是：步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR和脱机信号FREE。脱机信号FREE为低电平有效，这时电机处于无力矩状态。若FREE端为高电平或悬空不接时，电机可正常运行。

此步进电机驱动器的电气技术数据如表2所示。

表2 步进电机驱动器的电气技术数据

2.控制功能设计

本文研究的内容为“PLC控制步进电机加减速运行的设计”，通过手动控制步进电机运行，可以通过PLC程序从外部输入脉冲数值，并能实现正反转运行。运行所走的路线按照下列包络控制电机运行。如图1所示。

图1 控制电机运行的包络线图

根据图1包络中的数值分析运行的脉冲总数为1000个脉冲，起动频率为500Hz，最大脉冲频率为1000Hz，这要求PLC中的高级指令PTO发生器包括三段管线，由于包络中的值是用周期而不是用频率表示的，需要将频率值转换成周期值。

初始周期为2000μs，最高频率的周期为1000μs，则对于第一段包络线来说，脉冲发生器调整脉冲周期的增量值：

式中的ETC、ICT和Q分别是该段最高频率的周期、初始时的周期和脉冲数[4]。由上面的计算过程式（1.1）可知，对于给定了初始频率、运行频率以及行程。可以根据公式计算出频率上升的斜率，基于此原则，可以在子程序中设定外部给定的三个变量：初始频率、运行频率、脉冲数，计算出各段运行脉冲数。根据此原理进行对程序的设计。

步进电机驱动器接线示意图如图2所示。

图2 步进电机驱动器接线示意图

3.PLC程序的设计

PLC的I/O分配如表3所示。

表3 系统的I/O分配表

3.1 主程序

主程序是整个程序的支架部分，也是改变三个变量值的地方。网络1为停止程序，因为停止指令的优先等级高，所以将停止指令放在网络1。网络2为启动指令（即脉冲的计算输出）。网络3、4为脉冲数的加、减指令，每次加、减的数值就是步进电机的行程。网络5是数据类型的转换，为后面计算所用。此外还包括2个调用子程序（脉冲的计算输出程序和停止程序）。

当触点I0.2每闭合一次时，脉冲个数的设定值从0开始增加1000，当触点I0.3每闭合一次时，脉冲个数的设定值从当前值减少1000。当触点I0.1闭合时，调用脉冲的计算输出程序，启用3段包络线控制电机运行。当触点I0.0闭合时，调用停止程序，停止电机，复位系统，完成控制要求。