用PLC實現(xiàn)步進電機的直接控制應(yīng)用實例

步進電機的可編程控制器直接控制，可使組合機床自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的成本顯著下降。文章介紹了用PLC控制步進電機驅(qū)動的數(shù)控滑臺方法，伺服控制、驅(qū)動及接口以及步進電機PLC控制的軟件邏輯。

1 概述

在組合機床自動線中，一般根據(jù)不同的加工精度要求設(shè)置三種滑臺（1）液壓滑臺，用于切削量大，加工精度要求較低的粗加工工序中；（2）機械滑臺，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）數(shù)控滑臺，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中?？删幊炭刂破鳎ê喎QPLC）以其通用性強、可靠性高、指令系統(tǒng)簡單、編程簡便易學(xué)、易于掌握、體積小、維修工作少、現(xiàn)場接口安裝方便等一系列優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制中。特別是在組合機床自動生產(chǎn)線的控制及CNC機床的S、T、M功能控制更顯示出其卓越的性能。PLC控制的步進電機開環(huán)伺服機構(gòu)應(yīng)用于組合機床自動生產(chǎn)線上的數(shù)控滑臺控制，可省去該單元的數(shù)控系統(tǒng)使該單元的控制系統(tǒng)成本降低70~90%，甚至只占用自動線控制單元PLC的3~5個I/O接口及<1KB的內(nèi)存。特別是大型自動線中可以使控制系統(tǒng)的成本顯著下降。

2 PLC控制的數(shù)控滑臺結(jié)構(gòu)

一般組合機床自動線中的數(shù)控滑臺采用步進電機驅(qū)動的開環(huán)伺服機構(gòu)。采用PLC控制的數(shù)控滑臺由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器、步進電機驅(qū)動器、步進電機和伺服傳動機構(gòu)等部分組成，見圖1。

圖1

伺服傳動機構(gòu)中的齒輪Z1、Z2應(yīng)該采取消隙措施，避免產(chǎn)生反向死區(qū)或使加工精度下降；而絲杠傳動副則應(yīng)該根據(jù)該單元的加工精度要求，確定是否選用滾珠絲杠副。采用滾珠絲杠副，具有傳動效率高、系統(tǒng)剛度好、傳動精度高、使用壽命長的優(yōu)點，但成本較高且不能自鎖。

3 數(shù)控滑臺的PLC控制方法

數(shù)控滑臺的控制因素主要有三個：

3.1 行程控制

一般液壓滑臺和機械滑臺的行程控制是利用位置或壓力傳感器（行程開關(guān)/死擋鐵）來實現(xiàn)；而數(shù)控滑臺的行程則采用數(shù)字控制來實現(xiàn)。由數(shù)控滑臺的結(jié)構(gòu)可知，滑臺的行程正比于步進電機的總轉(zhuǎn)角，因此只要控制步進電機的總轉(zhuǎn)角即可。由步進電機的工作原理和特性可知步進電機的總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的控制脈沖個數(shù)；因此可以根據(jù)伺服機構(gòu)的位移量確定PLC輸出的脈沖個數(shù)：

n= DL/d （1）

式中 DL——伺服機構(gòu)的位移量（mm），d ——伺服機構(gòu)的脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）

3.2 進給速度控制

伺服機構(gòu)的進給速度取決于步進電機的轉(zhuǎn)速，而步進電機的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率;因此可以根據(jù)該工序要求的進給速度,確定其PLC輸出的脈沖頻率:

f=Vf/60d (Hz) （2）

式中 Vf——伺服機構(gòu)的進給速度(mm/min)

3.3 進給方向控制

進給方向控制即步進電機的轉(zhuǎn)向控制。步進電機的轉(zhuǎn)向可以通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向;如三相步進電機通電順序為A-AB-B-BC-C-CA-A…時步進電機正轉(zhuǎn);當(dāng)繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A…順序通電時步進電機反轉(zhuǎn)。因此可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序來實現(xiàn)，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進電機繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。

4 PLC的軟件控制邏輯

由滑臺的PLC控制方法可知，應(yīng)使步進電機的輸入脈沖總數(shù)和脈沖頻率受到相應(yīng)的控制。因此在控制軟件上設(shè)置一個脈沖總數(shù)和脈沖頻率可控的脈沖信號發(fā)生器；對于頻率較低的控制脈沖，可以利用PLC中的定時器構(gòu)成，如圖2所示。脈沖頻率可以通過定時器的定時常數(shù)控制脈沖周期，脈沖總數(shù)控制則可以設(shè)置一脈沖計數(shù)器C10。當(dāng)脈沖數(shù)達到設(shè)定值時，計數(shù)器C10動作切斷脈沖發(fā)生器回路，使其停止工作。伺服機構(gòu)的步進電機無脈沖輸入時便停止運轉(zhuǎn)，伺服執(zhí)行機構(gòu)定位。當(dāng)伺服執(zhí)行機構(gòu)的位移速度要求較高時，可以用PLC中的高速脈沖發(fā)生器。不同的PLC其高速脈沖的頻率可達4000~6000Hz。對于自動線上的一般伺服機構(gòu)，其速度可以得到充分滿足。

圖2

5 伺服控制、驅(qū)動及接口

5.1 步進電機控制系統(tǒng)的組成

步進電機的控制系統(tǒng)由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器和步進電機功率驅(qū)動器組成，其結(jié)構(gòu)見圖1。

控制系統(tǒng)中PLC用來產(chǎn)生控制脈沖；通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構(gòu)的進給量；同時通過編程控制脈沖頻率——既伺服機構(gòu)的進給速度；環(huán)行脈沖分配器將可編程控制器輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。PLC控制的步進電機可以采用軟件環(huán)行分配器，也可以采用如圖1所示的硬件環(huán)行分配器。采用軟環(huán)占用的PLC資源較多，特別是步進電機繞組相數(shù)M>4時，對于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以充分考慮。采用硬件環(huán)行分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省占用PLC的I/O口點數(shù)，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅(qū)動器將PLC輸出的控制脈沖放大到幾十~上百伏特、幾安~十幾安的驅(qū)動能力。一般PLC的輸出接口具有一定的驅(qū)動能力，而通常的晶體管直流輸出接口的負載能力僅為十幾~幾十伏特、幾十~幾百毫安。但對于功率步進電機則要求幾十~上百伏特、幾安~十幾安的驅(qū)動能力，因此應(yīng)該采用驅(qū)動器對輸出脈沖進行放大。

5.2 可編程控制器的接口

如伺服機構(gòu)采用硬件環(huán)行分配器，則占用PLC的I/O口點數(shù)少于5點，一般僅為3點。其中I口占用一點，作為啟動控制信號；O口占用2點，一點作為PLC的脈沖輸出接口，接至伺服系統(tǒng)硬環(huán)的時鐘脈沖輸入端，另一點作為步進電機轉(zhuǎn)向控制信號，接至硬環(huán)的相序分配控制端，如圖3所示；伺服系統(tǒng)采用軟件環(huán)行分配器時，其接口如圖4。

6 應(yīng)用實例與結(jié)論

將PLC控制的開環(huán)伺服機構(gòu)用于某大型生產(chǎn)線的數(shù)控滑臺，每個滑臺僅占用4個I/O接口，節(jié)省了CNC控制系統(tǒng)，其脈沖當(dāng)量為0.01~0.05mm,進給速度為Vf=3~15m/min,完全滿足工藝要求和加工精度要求。