步进电机的PLC控制系统设计.docx

1、步进电机的PLC控制系统设计一、引言随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了 突飞猛进的发展， 其功能已远远超出了逻辑控制、 顺序控制的范 围，它与计算机有效结合，可进行模拟量控制，具有远程通信功 能等。有人将其称为现代工业控制的三大支柱 (即PLC,机器人，CAD/CAM )之一。目前可编程序控制器( Programmable Controller )简称 PLC 已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等 领域，为工业自动化提供了有力的工具。二、 PLC 的基本结构PLC 采用了典型的计算机结构， 主要包括 CPU、RAM 、ROM 和输入 /输出接口电路等。如果把 PLC 看作一个

2、系统，该系统由 输入变量-PLC-输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、 传感器检测的信号均作为 PLC 的输入变量，它们经 PLC 外部端 子输入到内部寄存器中， 经 PLC 内部逻辑运算或其它各种运算、 处理后送到输出端子，它们是 PLC 的输出变量，由这些输出变 量对外围设备进行各种控制。三、 控制方法及研究1、 FP1 的特殊功能简介(1)脉冲输出FP1的输出端Y7可输出脉冲，脉冲频率可通过软件编程进行 调节，其输出频率范围为 360Hz5kHz。(2)高速计数器( HSC)FP1 内部有高速计数器， 可同时输入两路脉冲， 最高计数频率 为 10kHz，计数范围-8388608

3、+8388607。(3)输入延时滤波FP1 的输入端采用输入延时滤波， 可防止因开关机械抖动带来 的不可靠性，其延时时间可根据需要进行调节，调节范围为 1ms 128ms。(4)中断功能FP1 的中断有两种类型， 一种是外部硬中断， 一种是内部定时 中断。2、步进电机的速度控制FP1有一条SPD0指令，该指令配合HSC和Y7的脉冲输出功 能可实现速度及位置控制。速度控制梯形图见图 1 ，控制方式参 数见图 2，脉冲输出频率设定曲线见图 3。 FI64 SPDO图1速度控制梯形图SS+ 1flS+ 2MlS-t 3S+ 4f2S+ 5M2S+ 6S+Nfii设定初始脉冲频率i殳定目标位置对应的脉

4、冲个数设定下个脉冲频率设宦下一个目标位置对应的脉冲个数设走最终H和荻率：该侑应为 h图3脉冲输出频率设定曲线3、控制系统的程序运行图2控制方式参数图4控制系统原理图图4是控制系统的原理接线图，图4中Y7输出的脉冲作为步 进电机的时钟脉冲，经驱动器产生节拍脉冲，控制步进电机运转。 同时Y7接至PLC的输入接点X0，并经X0送至PLC内部的HSC。 HSC计数Y7的脉冲数，当达到预定值时发生中断，使 Y7的脉冲频率切换至下一参数， 从而实现较准确的位置控制。 实现这一 控制的梯形图见图5。图5控制梯形图控制系统的运行程序：第一句是将 DT9044和DT9045清零，即为HSC进行计数做准备；第二句

5、第五句是建立参数表，参数 存放在以DT20为首地址的数据寄存器区；最后一句是启动SPD0 指令，执行到这句则从DT20开始取出设定的参数并完成相应的 控制要求。由第一句可知第一个参数是 K0 ，是 PULSE 方式的特征值， 由此规定了输出方式。第二个参数是 K70 ，对应脉冲频率为 500Hz，于是Y7发出频率为500Hz的脉冲。第三个参数是K1000 , 即按此频率发 1000 个脉冲后则切换到下一个频率。而下一个频 率即最后一个参数是 K0，所以当执行到这一步时脉冲停止，于 是电机停转。故当运行此程序时即可使步进电机按照规定的速 度、预定的转数驱动控制对象，使之达到预定位置后自动停止。三

6、、结束语利用可编程序控制器可以方便地实现对电机速度和位置的控 制，方便可靠地进行各种步进电机的操作， 完成各种复杂的工作。 它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实摘 要：在 PLC 步进电机控制系统中，输入到其线圈绕组 中的脉冲数或脉冲频率可控制步进电动机的角位移 和转速，在给步进电机的各线圈绕组输入脉冲时需要 进行脉冲分配器分配脉冲， 脉冲分配可以由软件进行 设计，也可以由硬件组成。以 OMRON 的 C 系列 P 型机为例，讨论步进电机的 PLC 控制系统的软件设 计方法。关键词： 可编程控制器（ PLC ）；步进电动机；接线图； 梯形图在对传统机床的数控化改造中， 用可编程控

7、制 器PLC 作为控制器对机床电气控制系统的改造越来越突出。其 主要部分是对数控机床的典型执行元件步进电机的控制。 我们知 道步进电机是一种用电脉冲进行控制， 将电脉冲信号转换成相应 角位移的电机， 步进电机每输入一个电脉冲就前进一步， 其输出 的角位移与输入的脉冲数成正比， 因此只要控制输入到其线圈绕 组中的脉冲数或者脉冲频率即可控制步进电动机的角位移和转 速，但给步进电动机的各线圈绕组输入的脉冲还需要进行脉冲分 配器的分配。利用 PLC 控制步进电动机，其脉冲分配可以由软 件进行设计，还可以由硬件来组成。本文作者以 OMRON 的 C 系列 P 型机为例，讨论步进电动机用软件分配脉冲的设计

8、方法。一、步进电动机 PLC 控制系统 I/O 接线图设计步进电动机以最常用的三相六拍通电方式工作，并要求步进 电动机设有快速、慢速控制、正反转及单步控制 4 种控制方式。根据要求，可选用 C28P CDT D 的 PLC 进行控制并设计出 步进电动机的 PLC 控制系统 I/O 接线图（图 1）。停止SB2tUdZEfiW SB5单律SB6图1步进电动机的PLC控制系统I/O接线图二、步进电动机PLC控制系统梯形图设计据控制要求设计了 PLC控制系统梯形图见图2Htr-III UK)HinHFHH 伽 anovwl-II 图2步进电动机的PLC控制系统梯形图（1） 用移位寄存器 SFT1S1

9、0 的10001005产生六拍的 时序脉冲，在CP端的移位脉冲信号1106的作用下，将IN端的 信号依次移入10001005，每移1位为1拍，6拍为1循环， 移位时所产生的时钟脉冲频率由移位脉冲信号频率决定。（2） 辅助继电器1200、1201、1202组成三相六拍环形分配 器。在10001005产生的六拍时序脉冲作用下，1200、1201、1202的通电顺序见图 3。T200 1200 4201 一 1201 1201.1202 -1202 1202 4201 -图3通电顺序（3） 由0500、0501、0502实现步进电动机的正反转驱动控 制。1当正反转按钮SB5常开时，输入点0005断开

10、，步进电动 机的通电顺序为：0500 （A 相）0 500、0501 （A、B 相）0501（B 相）0501、0502 （ B、C 相）0502 （C 相）0502、 0500 （C、A 相）0500 （A），此时步进电动机正转；2按SB5时，输入点0005接通，则通电次序是 4B、Af AA、CCC、Bf B ，此时电机反转。按 SB1起动 铵钮时，输入点0001接通，步进电动机可以实现三相六拍通电。（4）脉冲控制器由1105、1106、1107组成。步进电动机的 脉冲频率控制按4种控制方式的要求可分为：1快速方式由辅助继电器1105的常闭接点和其线圈构成的振荡器，该振荡器产生的快速振荡脉

11、冲， 其周期为程序的1个扫描周期；2慢速方式由特殊继电器 1900产生011s的时钟脉冲；3单步方式利用前沿微分指令（DIFU ），由辅助继电器产生 单步脉冲，其脉冲频率由 SB6控制;脉冲控制器1107产生不同 频率的脉冲，作为移位寄存器的移位信号。PLC控制步进电机的实例（图与程序BPLS+ LR+ PLS- D1R-步进电机驱动器COM X0 XIFX1S-14MTCDMO COM2 YO YEov5V 直流电源采用绝对位置控制指令(DRVA),大致阐述FX1S控制步进电 机的方法。由于水平有限，本实例采用非专业述语论述，请勿 引用。FX系列PLC单元能同时输出两组100KHZ脉冲，是低

12、成本 控制伺服与步进电机的较好选择！PLS+ , PLS-为步进驱动器的脉冲信号端子，DIR+ , DIR-为步进驱动器的方向信号端子。所谓绝对位置控制(DRVA),就是指定要走到距离原点的位置， 原点位置数据存放于32位寄存器D8140里。当机械位于我 们设定的原点位置时用程序把 D8140的值清零，也就确定了 原点的位置。实例动作方式：X0闭合动作到A点停止，X1闭合动作到B点停止，接线图与动作位置示例如左图 （距离用脉冲数表示）。程序如下图：（此程序只为说明用，实用需改善。）说明：在原点时将D8140的值清零（本程序中没有做此功能）32位寄存器D8140是存放Y0的输出脉冲数，正转时增加

13、， 反转时减少。当正转动作到A点时，D8140的值是3000。此 时闭合X1 ,机械反转动作到B点，也就是-3000的位置。D8 140的值就是-3000。当机械从A点向B点动作过程中，X1断开（如在C点断开） 则D8140的值就是200 ,此时再闭合X0 ,机械正转动作到 A 点停止。当机械停在A点时，再闭合X0,因为机械已经在距离原点 3 000的位置上，故而机械没有动作！把程序中的绝对位置指令（DRVA）换成相对位置指令（DRVI）:当机械在B点时（假设此时D8140的值是-3000）闭合X0 , 则机械正转3000个脉冲停止，也就是停在了原点。 D8140 的值为0当机械在B点时（假设

14、此时D8140的值是-3000）闭合X1 ,则机械反转3000个脉冲停止，也就是停在了左边距离 B点3000的位置（图中未画出），D8140 的值为-6000。一般两相步进电机驱动器端子示意图：FREE+，FREE-:脱机信号，步进电机的没有脉冲信号输入 时具有自锁功能，也就是锁住转子不动。而当有脱机信号时解 除自锁功能，转子处于自由状态并且不响应步进脉冲。V+ , GND :为驱动器直流电源端子，也有交流供电类型。A+ , A- , B+ , B-分别接步进电机的两相线圈。圧此主题相关图片如下: DMOV K2000 DO DMOV K-3000 DO M0DRVA DO D2 YOOO Y

15、002 * u nhi此主题相关图片如下:PLS+ PL&- DIR+ DIR- FREL+ FREE-电流设定与细分调整幵关步进电机开环伺服机构应用1概述在组合机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑 台（1 ）液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工 工序中；（2 ）机械滑台，用于切削量中等，具有一定加工精度 要求的半精加工工序中；（3 ）数控滑台，用于切削量小，加工 精度要求很高的精加工工序中。 可编程控制器（简称PLC）以其 通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、 体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业自动控制中。特别是

16、在组合机床自动生产线的控制及 CNC机床的S、T、M功能控制更显示出其卓越的性能。 PLC控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数 控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本 降低7090% ，甚至只占用自动线控制单元 PLC的35个I/O接口及v1KB的内存。特别是大型自动线中可以使控制系统的成 本显著下降。2 PLC控制的数控滑台结构一般组合机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用PLC控制的数控滑台由可编程控制器、环行脉冲 分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成， 伺服传动机构中的齿轮 Z1、Z2应该采取消隙措施，避免产生

17、反 向死区或使加工精度下降；而丝杠传动副则应该根据该单元的加 工精度要求，确定是否选用滚珠丝杠副。采用滚珠丝杠副，具有 传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优点，但 成本较高且不能自锁。3数控滑台的PLC控制方法数控滑台的控制因素主要有三个：3.1行程控制一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器（行程开关/死挡铁）来实现；而数控滑台的行程则采用数字控 制来实现。由数控滑台的结构可知，滑台的行程正比于步进电机的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。 由步进电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的控制脉(1)而步进电机的转速n= DL/d式中DL 伺服机

18、构的位移量(mm ) d 伺服机构的脉冲当量(mm/脉冲)3.2进给速度控制伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速， 取决于输入的脉冲频率；因此可以根据该工序要求的进给速度确定其PLC输出的脉冲频率:f=Vf/60d (Hz) (2)式中Vf 伺服机构的进给速度(mm/min)3.3进给方向控制进给方向控制即步进电机的转向控制。 步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向 ；如三相步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA- A时步进电机正转；当绕组按A-AC-C-CB-B-BA- A顺序通电时步进电机反转。因此可以通 过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出

19、顺序来 实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电 顺序实现。4 PLC的软件控制逻辑由滑台的PLC控制方法可知，应使步进电机的输入脉冲总数和 脉冲频率受到相应的控制。因此在控制软件上设置一个脉冲总数 和脉冲频率可控的脉冲信号发生器；对于频率较低的控制脉冲， 可以利用PLC中的定时器构成，如图2所示。脉冲频率可以通 过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一 脉冲计数器C10。当脉冲数达到设定值时，计数器 C10动作切 断脉冲发生器回路，使其停止工作。伺服机构的步进电机无脉冲 输入时便停止运转，伺服执行机构定位。当伺服执行机构的位移 速度要求较高时，可以用PLC中的

20、高速脉冲发生器。不同的PLC 其高速脉冲的频率可达 40006000Hz 。对于自动线上的一般伺服机构，其速度可以得到充分满足。5伺服控制、驱动及接口5.1 步进电机控制系统的组成步进电机的控制系统由可编程控制器、环行脉冲分配器和步进电 机功率驱动器组成，控制系统中 PLC用来产生控制脉冲；通过 PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控 制伺服机构的进给量；同时通过编程控制脉冲频率 一一既伺服机 构的进给速度；环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲 按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。 PLC控制的步进电机可以采用软件环行分配器，也可以采用如图1所示的硬件环行分 配器。

21、采用软环占用的 PLC资源较多，特别是步进电机绕组相 数M4时，对于大型生产线应该予以充分考虑。采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些， 但可以节省占用PLC的I/O 口点数，目前市场有多种专用芯片可以选用。 步进电机功率驱动器将PLC输出的控制脉冲放大到几十 上百伏特、几安十几安 的驱动能力。一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力，而通 常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几 几十伏特、几十几百毫安。但对于功率步进电机则要求几十 上百伏特、几安十几安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放 大。5.2 可编程控制器的接口如伺服机构采用硬件环行分配器，则占用 PLC的I/O 口点数少于5点，一般仅为3点。其中I 口占用一点，作为启动控制信 号；O 口占用2点，一点作为PLC的脉冲输出接口，接至伺服 系统硬环的时钟脉冲输入端，另一点作为步进电机转向控制信 号，接至硬环的相序分配控制端， 如图3所示；伺服系统采用软件环行分配器时， 6应用实例与结论将PLC控制的开环伺服机构用于某大型生产线的数控滑台，每 个滑台仅占用4个I/O接口，节省了 CNC控制系统，其脉冲当 量为0.010.05mm, 进给速度为 Vf=315m/min, 完全满足工艺要求和加工精度要求