基于PLC 的步进电机正反转控制

2015-01-23蒋庆磊吴慧君聂永涛

产业与科技论坛 2015年19期

□蒋庆磊吴慧君聂永涛

一、引言

在机械加工行业中，对步进电机的正反转控制是机械加工的一个重要的操作方面。在大型机械加工中，一般都是通过开关线路实现正反转，这种控制方式最简单，但是控制精度有限，所以在稍小的机械加工中采用精确控制电机正反转，早期的精确控制方式一般是气控调速，后来随着科技进步，一种新型的正反转控制装置即电控正逐渐被广泛地应用。

电控装置是专门应用于对步进电机进行正反转操作的各种机械加工，特别是需要频繁操作的工序，尤其运用于小型精密机械加工中。电控装置是机床配套的产品，从最初至今，电机控制一直采用手动开关，对比于手控，电控具有调速精度高、控制可靠等优点。电控装置是集机械、电气和软件为一体的系统，在该系统中采用电位传感器，PLC 控制，步进电机执行控制。由于电机能否正常正反转是精密机械加工的必要条件，为了提高系统的可靠性，考虑到加工现场环境条件，利用步进电机接收数字脉冲的特性，实行开环控制，具有简洁、可靠的优点。

二、系统原理

图1 系统原理图

(一)开环控制方式。整个系统由控制程序、PLC 及驱动器件、步进电机、机械执行机构组成。主机正、反转控制指令由软件GX 编写控制程序，调试成功后，电位器的输出电压经处理后送入PLC 中，发出控制指令给步进电机驱动器，驱动器驱动步进电机旋转，并由机械执行机构获取步进电机的角位移，通过程序设定正反转时间，实现电机的正反转控制。

(二)步进电机及其驱动。步进电机是数字控制系统中的执行电动机，由于它可以直接接收计算机来的数字脉冲信号，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就可控制步进电机的转向。步进电机角位移与控制脉冲精确同步，在无需反馈控制而要求有准确位置的应用场合，是一种重要的机电执行装置。正因为步进电机的以上特点，在该系统中为了使控制更加简单、可靠，采用2 相4 拍混合式步进电机进行开环控制，在实际使用中可进行细分驱动，使其运转更加平稳。步进电机驱动器只需接收来自步进驱动器的脉冲、转向、使其能控制信号，通过电位器的旋转控制发送的脉冲个数，可实现步进电机正反转换向定位。

(三)机械执行机构。该执行机构中，通过丝杆螺母机构将步进电机的角位移转换为螺母的直线位移，由滑动螺母带动推拉软轴直线运动，软轴的另一端连接在主机油门上，由此实现主机正反转控制。

(四)机械加工过程中经常要求步进电机可以进行正反转。由电动机的原理可知，只需改变其定子绕组的电源相序，就可以实现电动机的转动方向改变。所以，借助两个交流接触器就能实现上述要求。在实际应用中，采用有互相联锁(互锁)的两个反方向的单向运行电路。

图2 电机正反转控制原理图

该控制线路可以提高劳动生产效率，减少辅助时间，实现电动机的换向。控制线路如图2(b)所示，启动按钮SB2、SB3 采用复合按钮，可以实现当电动机换向时，用复合按钮的常闭触点来开断转向反向的接触器线圈的通电。当按下SB2时，首先是SB2 按钮的常闭触点断开，使KM2 线圈断电，然后是SB2 的常开触点闭合，使KM1 线圈通电，接触器KM1 的常开触点闭合，形成自锁电路，电动机反向转动，反之按下SB3正转。该控制电路也称为正-反-停电路控制。图中，KM1、KM2 的常闭辅助触头构成电气互锁，SB2、SB3 的常闭触点又构成了机械互锁，因此该控制电路具有双重互锁，其工作可靠性高。

三、硬件组成

(一)控制原理设计。由于电机控制在机械加工中十分重要，执行机构要求及时反映控制电位器的位置，且准确定位。在本系统中采用开环控制，步进电机的位置完全由程序发出的控制指令来确定，更要求控制程序运行可靠，转动时间计算准确。考虑到开环控制，为此增加基准定位开关，当电位器回到零位时，执行机构必须回到此开关处，重新定位，这样也可以消除多次操作的累积误差。

(二)PLC 选用和硬件配置。三菱FX2N48MR 型PLC 以灵活多变的系统配置、工作稳定等优点获得了非常广泛的应用。本系统选用三菱系列的CPU 作为主控单元，24 个输入/输出，具有高速脉冲输出功能，EM235 模拟量输入模块是高速12 位模拟量输入模块。这些模块可在149μs 之内将模拟信号输入转换为其相应的数字值，可以实现信号转换，可以驱动步进电机实现精确控制。EM235 模拟量模块必须外接电源，本文中由PLC 向EM235 模拟量模块提供+24V 工作电源。步进电机型56RYG250B，数字步进驱动选用SD20403。

通过对模拟量模块连接端子的选择，控制电机的模拟量是通过电位计(R2)送出0 ～10V 模拟信号到控制系统中，CPU 通过模拟量扩展模块EM235 读取该值，并分析与处理该值。和该模拟量有关的几个基本数据:对于EM235 和CPU222 的规定，每1mA 增量，数据为1600。驱动机构的丝杠产生1mm 距离，对应电流变化量为0.8mA。

四、控制系统设计

在FX2N 系列中，CPU 的输出端YOO 能够输出方波信号。YOO 的输出脉冲触发步进电机驱动器，由电位计AIW0.0 控制输出脉冲数，功率驱动器将控制脉冲按照某种模式转换成步进电机线圈的电流，产生旋转磁场，使得转子只能按固定的步数来改变它的位置。当输入端X00 发出“START”信号后，控制器将输出固定数目的方波脉冲，使步进电机按对应的步数转动，初始化复位，用接在输入端X01 的开关来选择转动方向，将输出Y01 置成高电位那么电机逆时针转动。如果X01 =0，将输出Y01 置成低电位，那么电机顺时针转动。为保护电机避免漏步，电机转动方向的改变只能在电机处于停止状态(M0.1 =0)时进行。当输入端X01 发出信号后，输出端Y01 的方向开关位置决定电机正转或反转。