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  • 发布时间: 2018 - 07 - 12
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PLC控制器实现步进电机正反转和调速控制

日期: 2019-09-23
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PLC控制器实现步进电机正反转和调速控制

实验目的


1、掌握步进电机的工作原理
2、掌握带驱动电源的步进电机的控制方法
3、掌握DECO指令实现步进电机正反转和调速控制的程序


二、实训仪器和设备
1 PLC控制器一台
2、两相四拍带驱动电源的步进电机一套
3、正反切换开关、起停开关、增减速开关各一个


三、步进电机工作原理
步进电机是纯粹的数字控制电动机,它将电脉冲信号转换成角位移,即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度,图3-1是一个三相反应式步进电机结图。从图中可以看出,它分成转子和定子两部分。定子是由硅钢片叠成,定子上有六个磁极(大极),每两个相对的磁极(N、S极)组成一对。共有3对。每对磁极都绕有同一绕组,也即形成1相,这样三对磁极有3个绕组,形成三相。可以得出,三相步进电机有3对磁极、3相绕组;四相步进电机有4对磁极、四相绕组,依此类推。
反应式步进电动机的动力来自于电磁力。在电磁力的作用下,转子被强行推动到最大磁导率(或者最小磁阻)的位置,如图3-1(a)所示,定子小齿与转子小齿对齐的位置,并处于平衡状态。对三相异步电动机来说,当某一相的磁极处于最大导磁位置时,另外两相相必处于非最大导磁位置,如图3-1(b)所示,即定子小齿与转子小齿不对齐的位置。
PLC控制器实现步进电机正反转和调速控制


把定子小齿与转子小齿对齐的状态称为对齿,把定子小齿与转子小齿不对齐的状态称为错齿。错齿的存在是步进电机能够旋转的前提条件,所以,在步进电机的结构中必须保证有错齿的存在,也就是说,当某一相处于对齿状态时,其它绕组必须处于错齿状态。
本实验的电机采用两相混合式步进电机,其内部上下是两个磁铁,中间是线圈,通了直流电以后,就成了电磁铁,被上下的磁铁吸引后就产生了偏转。因为中间连接的,是采用在转轴的位置用一根滑动的接触片。这样如果电磁铁转过了头,原先连接电磁铁的两根线刚好就相反了,所以电磁铁的N极S极就和以前相反了。但是电机上下的磁铁是不变的,所以又可以继续吸引中间的电磁铁。当电磁铁继续转,由于惯性又转过了头,所以电极又相反了。重复上述过程就步进电机转了。
根据这个原理,如图3-2所示,两相步进电机的转动步骤,以正转为例:
 
PLC控制器实现步进电机正反转和调速控制
由图可见,现相异步电机正转过程分为四个步骤,即A相正方向电流、B相正方向电流、A向反方向电流和B相反方向电流。反转工作的顺序与之相反。A、B两相线圈不是固定的电流方向,这与其它步进电机的控制逻辑有所不同。因此,控制步进电机转动时,必须考虑用换相的思路设计实验线路。可以根据模拟驱动电路的功能和plc必须的逻辑关系进行程序设计。


四、采用步进电机驱动器的控制方式
利用步进电机驱动器可以通过PLC的高速输出信号控制步进电机的运动方向、运行速度、运行步数等状态。其中:步进电机的方向控制,只需要通过控制U/D端的On和Off就能决定电机的正转或反转;将光耦隔离的脉冲信号输入到CP端就能决定步进电机的速度和步数;控制FREE信号就能使电机处于自由状态。
因此PLC控制器的控制程序相当简单,只需通过PLC的输出就能控制步进电机的方向、转速和步数。不必通过PLC控制电机换相的逻辑关系,也不必另外添加驱动电路。实训面板见图3-4,梯形图见图3-5。本程序是利用D0的变化,改变T0的定时间隔,从而改变步进电机的转速。通过两个触点比较指令使得D0只能在10~50之间变化,从而控制步进间隔是1S~5S之间,I/O分配表见表3-1。
表3-1  I/O分配表


输入点
输出点
X0
正转/反转方向
Y0
电机控制脉冲
X1
电机转动
Y1
正转/反转运行
X2
电机停止


X4
频率增加


X5
频率减少



PLC控制器实现步进电机正反转和调速控制
图3-5  梯形图
 
五、采用PLC控制器直接控制步进电机方式
对于两相步进电机控制,根据其工作原理,必须考虑其换向的控制方式,因此将其步骤用代号分解,则为:①实现电流方向A+→A-、②实现电流方向B+→B-、③实现电流方向A-→A+、④实现电流方向B-→B+。如果反转则按照④、③、②、①的顺序控制。
PLC的I/O分配表按照表3-2,分配图按照图3-6,梯形图见图3-7。
表3-2  PLC的I/O分配表


输入点
输出点
X0
正转运行
COM1
DC+12V
X1
反转运行
Y0
A+
X2
自动/手动
Y1
B+
X3
单步运行
Y2
A-
X4
频率增加
Y3
B-
X5
频率减少
COM2
DC+12V  GND


Y4
A-


Y5
B-


Y6
A+


Y7
B+


PLC控制器实现步进电机正反转和调速控制
 
 步进电机正反转和调速控制的梯形图如图3-7所示,程序中采用积算定时器T246为脉冲发生器,因系统配置的PLC为继电器输出类型,其通断频率过高有可能损坏 PLC控制器,故设定范围为K200ms~1000ms,则步进电机可获得1~10步/秒的变速范围,(X0为ON时,正转,X1为ON时;反转)。
X0为ON时,输出正脉冲列,步进电机正转。当X0为ON时,T246以D0值为预置值开始计时,时间到,T246导通,执行DECO指令,根据D1数值(首次为0),指定M10输出,Y0、Y4为ON,步进电机A相通电,且实现电流方向A+→A-;D1加1,然后,T246马上自行复位,重新计时,时间到,T246又导通,再执行DECO指令,根据D1数值(此次为1),指定M11输出,Y1、Y5为ON,步进电机B相通电,且实现电流方向B+→B-;D1加1,T246马上又自行复位,重新计数,时间到,T246又导通,再执行DECO指令,根据D1数值(此次为2),指定M12输出,Y2、Y6为ON,步进电机A相通电,且实现电流方向A-→A+;D1加1,T246马上又自行复位,重新计时,时间到,T246又导通,再执行DECO命令,根据D1数值(此次为3),指定M13输出,Y3、Y7为ON,步进电机B相通电,且实现电流方向B-→B+;当M13为ON,D1复位,重新开始新一轮正脉冲系列的产生。
X1为ON时,输出反脉冲列,步进电机正转。当X1为ON时,T246以D0值为预置值开始计时,时间到,T246导通,执行DECO指令,根据D1数值(首次为0),指定M10输出,Y3、Y7为ON,步进电机B相通电,且实现电流方向B-→B+;依此类推,完成实现A相反方向电流、B相正方向电流、A相正方向电流三个脉冲列输出;当M13为ON,D1复位,重新开始新一轮正脉冲系列的产生。
当X2为ON时,程序由自动转为手动模式,当X0(X1)为ON时,每点动一次X3,对D1数值(首次为0)加1,分别指定M10、M11、M12及M13输出,从而完成一轮正(反)脉冲系列的产生。
第73步中,当X4为ON,M8012为ON,M4为ON,且D0当前值,则D0即加1。第88步中,当X5为ON,M8012为ON,M4为ON,且D0>K200,由D0即减1。


六、程序调试及执行
调速时按X4或X5按钮,观察D0的变化,当变化值为所需速度时释放。
如动作情况与控制要求一致表明程序正确,保存程序。如果发现程序运行与控制要求不符,应仔细分析,找出原因,重新修改,直到程序与控制要求相符为止。


七、实训思考练习题
如果调速需经常进行,可将D0的内容显示出来,试设想方案,修改程序,并实验。
 
PLC控制器实现步进电机正反转和调速控制
PLC控制器实现步进电机正反转和调速控制
PLC控制器实现步进电机正反转和调速控制
 图3-7  步进电机正反转和调速控制
程序说明
1、步骤0,指定脉冲序列输出顺序移位值;
2、当X0为ON,输出正脉冲序列,电机正转;当X1为ON,输出负脉冲序列,电机反转;
3、当X2为ON,程序由自动转为手动模式,由X3状态单步触发电机运转;
4、当X4为ON,如D0小于1000,每100ms对D0加1,从而延长每脉冲输出的时间间隔,降低电机的转速;
5、当X5为ON,如D0大于200,每100ms对D0减1,从而缩短每脉冲输出的时间间隔,加快电机的转速;
6、T0为频率调整限制。



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