PLC脈沖控制步進電機技術(shù)

    一、步進電機、脈沖與方向信號

    步進電機作為一種常用的電氣執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于自動化控制領(lǐng)域。步進電機的運轉(zhuǎn)需要配備一個專門的驅(qū)動電源，驅(qū)動電源的輸出受外部的脈沖信號和方向信號控制。每一個脈沖信號可使步進電機旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，這個角度稱為步距角。脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率決定了旋轉(zhuǎn)的速度。方向信號決定了旋轉(zhuǎn)的方向。就一個傳動速比確定的具體設(shè)備而言，無需距離、速度信號反饋環(huán)，只需控制脈沖的數(shù)量和頻率即可控制設(shè)備移動部件的移動距離和速度；而方向信號可控制移動的方向。因此，對于那些控制精度要求不是很高的應(yīng)用場合，用開環(huán)方式控制是一種較為簡單而又經(jīng)濟的電氣控制技術(shù)方案。

    另外，步進電機的細分運轉(zhuǎn)方式非常實用，盡管其步距角受到機械制造的限制，不能制作得很小，但可以通過電氣控制的方式使步進電機的運轉(zhuǎn)由原來的每個整步分成m個小步來完成，以提高設(shè)備運行的精度和平穩(wěn)性。

    控制步進電機電源的脈沖與方向信號源常用數(shù)控系統(tǒng)，但對于一些在運行過程中移動距離和速度均確定的具體設(shè)備，采用PLC（可編程控制器）是一種理想的技術(shù)方案。

    二、控制方案

圖1 PLC脈沖控制步進電機系統(tǒng)示意圖

    在操作面板上設(shè)定移動距離、速度和方向，通過PLC的運算產(chǎn)生脈沖、方向信號，控制步進電機的驅(qū)動電源，達到對距離、速度、方向控制的目的，見圖1。操作面板上的位置旋鈕控制移動的距離，速度旋鈕控制移動的速度，方向按鈕控制移動的方向，啟/停按鈕控制電機的啟動與停止。

    在實際系統(tǒng)中，位置與速度往往需要分成幾擋，故位置、速度旋鈕可選用波段開關(guān)，通過對波段開關(guān)的不同跳線進行編碼，可減少操作面板與PLC的連線數(shù)量，同時也減少了PLC的輸入點數(shù)，節(jié)省了成本。一個n刀波段開關(guān)的多擋位可達到2n。

    在對PLC選型前，應(yīng)根據(jù)下式計算系統(tǒng)的脈沖當量、脈沖頻率上限和大脈沖數(shù)量。

    根據(jù)脈沖頻率可以確定PLC高速脈沖輸出時需要的頻率，根據(jù)脈沖數(shù)量可以確定PLC的位寬。同時，考慮到系統(tǒng)響應(yīng)的及時性、可靠性和使用壽命，PLC應(yīng)選擇晶體管輸出型。

    步進電機細分數(shù)的選擇以避開電機的共振頻率為原則，一般可選擇2、5、10、25細分。

    編制PLC控制程序時應(yīng)將傳動系統(tǒng)的脈沖當量、反向間隙、步進電機的細分數(shù)定義為參數(shù)變量，以便現(xiàn)場調(diào)整。

    三、應(yīng)用實例

    筆者應(yīng)用PLC脈沖控制步進電機的技術(shù)，對生產(chǎn)上引法無氧銅管的設(shè)備進行了電氣控制。

    上引法無氧銅管的生產(chǎn)過程是：將電解銅加入工頻感應(yīng)爐，使其熔化成銅液，在銅液中浸入1個通有冷卻水的結(jié)晶器，流入結(jié)晶器的銅液經(jīng)過0.5～3s后，便結(jié)晶成了固態(tài)銅管。然后，一邊由引棒將固態(tài)銅管從結(jié)晶器中導出，一邊重復上述結(jié)晶過程，慢慢地將固態(tài)銅管牽引至摩擦壓輪，以后根據(jù)工藝間隔時間由步進電機帶動摩擦壓輪，將固態(tài)銅管源源不斷地從結(jié)晶器中牽引出來。牽引出來的銅管依次進入校直、軋管、盤管、冷拉等工序，生產(chǎn)出不同規(guī)格的自來水管或空調(diào)、冰箱的熱交換器用銅管。

    設(shè)備應(yīng)滿足如下的生產(chǎn)工藝要求：

引管距離6擋/（mm·次-1）：2、2.5、3、3.5、4、5；
引管速度7擋/（mm·min-1）：115、130、140、150、160、170、180；
牽引與結(jié)晶時間比：1∶1；
引管方式：間歇式；
牽引方向：不變；
設(shè)備運行：連續(xù)。
    可見，距離開關(guān)為6擋，速度開關(guān)為7擋，組合后共有42種牽引方式。根據(jù)計算，距離、速度信號各需3個輸入點就能達到設(shè)定的擋數(shù)要求，啟/停按鈕需1個輸入點。根據(jù)工藝要求，牽引方向不變，故操作面板上不設(shè)置方向按鈕，步進電機的旋轉(zhuǎn)方向不通過PLC來控制，而是采用直接跳線來完成設(shè)置。脈沖信號需1個輸出點，信號燈需2個輸出點。步進電機采用25細分工作模式，以避開電機的共振頻率區(qū)。PLC選用了具有8個數(shù)字量輸入點、6個數(shù)字量輸出點的SIEMENS公司生產(chǎn)的SIMATIC S7-200 CPU 222。另外，在控制程序中用多段管線操作設(shè)計了電機的升降過程，以滿足大負載啟動的要求。電氣控制原理見圖2。

圖2 電氣控制原理

    制作時，首先將面板上的距離、速度波段開關(guān)按圖2進行跳線，完成二進制編碼，這樣節(jié)省了7個PLC輸入點，簡化了連接，提高了系統(tǒng)可靠性，同時也降低了設(shè)備的制造成本；然后將各波段開關(guān)、按鈕的輸出與PLC相連。設(shè)備運行時，PLC根據(jù)操作面板上各開關(guān)的設(shè)定位置，由控制程序產(chǎn)生某一頻率和數(shù)量的高速脈沖，并將其輸出至PCB，由PCB完成電平轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的電平信號送至步進電機驅(qū)動器，拖動步進電機按設(shè)定的速度旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，終達到控制距離和速度的目的。

    四、結(jié)論

    該設(shè)備經(jīng)3個多月的運行考核，證明將PLC脈沖控制步進電機技術(shù)應(yīng)用于中、小功率牽引設(shè)備中，具有控制簡單、穩(wěn)定、成本低等特點，是一種切實可行的電氣控制方案。