PLC脈沖控制步進電機技術

    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，廣泛應用于自動化控制領域。步進電機的運轉需要配備一個專門的驅動電源，驅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一個固定的角度，這個角度稱為步距角。脈沖的數量決定了旋轉的總角度，脈沖的頻率決定了旋轉的速度。方向信號決定了旋轉的方向。就一個傳動速比確定的具體設備而言，無需距離、速度信號反饋環(huán)，只需控制脈沖的數量和頻率即可控制設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用場合，用開環(huán)方式控制是一種較為簡單而又經濟的電氣控制技術方案。

    另外，步進電機的細分運轉方式非常實用，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由原來的每個整步分成m個小步來完成，以提高設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控系統，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備，采用PLC（可編程控制器）是一種理想的技術方案。

    二、控制方案

圖1 PLC脈沖控制步進電機系統示意圖

    在操作面板上設定移動距離、速度和方向，通過PLC的運算產生脈沖、方向信號，控制步進電機的驅動電源，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，通過對波段開關的不同跳線進行編碼，可減少操作面板與PLC的連線數量，同時也減少了PLC的輸入點數，節(jié)省了成本。一個n刀波段開關的多擋位可達到2n。

    在對PLC選型前，應根據下式計算系統的脈沖當量、脈沖頻率上限和大脈沖數量。

    根據脈沖頻率可以確定PLC高速脈沖輸出時需要的頻率，根據脈沖數量可以確定PLC的位寬。同時，考慮到系統響應的及時性、可靠性和使用壽命，PLC應選擇晶體管輸出型。

    步進電機細分數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控制程序時應將傳動系統的脈沖當量、反向間隙、步進電機的細分數定義為參數變量，以便現場調整。

    三、應用實例

    筆者應用PLC脈沖控制步進電機的技術，對生產上引法無氧銅管的設備進行了電氣控制。

    上引法無氧銅管的生產過程是：將電解銅加入工頻感應爐，使其熔化成銅液，在銅液中浸入1個通有冷卻水的結晶器，流入結晶器的銅液經過0.5～3s后，便結晶成了固態(tài)銅管。然后，一邊由引棒將固態(tài)銅管從結晶器中導出，一邊重復上述結晶過程，慢慢地將固態(tài)銅管牽引至摩擦壓輪，以后根據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，生產出不同規(guī)格的自來水管或空調、冰箱的熱交換器用銅管。

    設備應滿足如下的生產工藝要求：

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；
牽引與結晶時間比：1∶1；
引管方式：間歇式；
牽引方向：不變；
設備運行：連續(xù)。
    可見，距離開關為6擋，速度開關為7擋，組合后共有42種牽引方式。根據計算，距離、速度信號各需3個輸入點就能達到設定的擋數要求，啟/停按鈕需1個輸入點。根據工藝要求，牽引方向不變，故操作面板上不設置方向按鈕，步進電機的旋轉方向不通過PLC來控制，而是采用直接跳線來完成設置。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個數字量輸入點、6個數字量輸出點的SIEMENS公司生產的SIMATIC S7-200 CPU 222。另外，在控制程序中用多段管線操作設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，提高了系統可靠性，同時也降低了設備的制造成本；然后將各波段開關、按鈕的輸出與PLC相連。設備運行時，PLC根據操作面板上各開關的設定位置，由控制程序產生某一頻率和數量的高速脈沖，并將其輸出至PCB，由PCB完成電平轉換。轉換后的電平信號送至步進電機驅動器，拖動步進電機按設定的速度旋轉相應的角度，終達到控制距離和速度的目的。

    四、結論

    該設備經3個多月的運行考核，證明將PLC脈沖控制步進電機技術應用于中、小功率牽引設備中，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。