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 原慧軍

 （山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，山西  長(zhǎng)治  046011）

摘要：基于PLC設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。利用位置控制向?qū)�，結(jié)合規(guī)劃好的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)數(shù)據(jù)，配置高速脈沖PTO控制電機(jī)運(yùn)行位置和速度。設(shè)計(jì)了主程序梯形圖，編寫(xiě)了復(fù)位子程序、回原點(diǎn)子程序、電機(jī)運(yùn)行子程序及急停處理子程序等。結(jié)果顯示，步進(jìn)電機(jī)可以精確定位，滿(mǎn)足控制要求。

關(guān)鍵詞：PLC:步進(jìn)電機(jī)；程序；位置控制向?qū)е袌D分類(lèi)號(hào)：TP273

1  工作任務(wù)要求

 本設(shè)計(jì)的工作任務(wù)要求如下：

 (1)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)通電正常，按下復(fù)位按鈕，自動(dòng)執(zhí)行復(fù)位操作，回到原點(diǎn)位置，復(fù)位完成，按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)。

 (2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從原點(diǎn)出發(fā)，以不小于320 mm／s的速度向目標(biāo)點(diǎn)前行移動(dòng)。

 (3)待到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)后，系統(tǒng)執(zhí)行返回原點(diǎn)操作，以440 mm/s的速度高速返回到800 mm處，再以不大于150 mm／s的速度低速運(yùn)行至原點(diǎn)停止。

 (4)系統(tǒng)運(yùn)行返回原點(diǎn)后，一個(gè)工作流程結(jié)束，當(dāng)沒(méi)有停止信號(hào)時(shí)，自動(dòng)開(kāi)始下一個(gè)周期。

2步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)主要設(shè)備

2.1  控制單元

 步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入信號(hào)有按鈕／開(kāi)關(guān)等主令信號(hào)，以及各種傳感器信號(hào)等；輸出信號(hào)有高速脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，以及各種運(yùn)行狀態(tài)指示信號(hào)等。選用西門(mén)子S7-226 DC/DC／DC型PLC，其有24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)晶體管輸出。

2.2步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器

 選用的電機(jī)為Kinco三相步進(jìn)電機(jī)3S57Q-04056，與之相配套的驅(qū)動(dòng)器為Kinc0 3M458步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器所需直流電源為DC24 V，設(shè)定驅(qū)動(dòng)器撥動(dòng)開(kāi)關(guān)DIP1、DIP2、DIP3均為OFF狀態(tài)，即電機(jī)每轉(zhuǎn)需要10 000個(gè)脈沖；DIP4為OFF狀態(tài)，即選擇靜態(tài)半流；沒(méi)定DIP5為OFF狀態(tài)，DIP6、DIP7、DIP8均為ON狀態(tài)，即輸出相電流為5.2 A。

2.3  系統(tǒng)其他組件

 系統(tǒng)其他組件包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、同步齒輪、同步傳輸帶和直線(xiàn)導(dǎo)軌等。同步齒輪共有11個(gè)齒，齒距為5 mm，即同步齒輪旋轉(zhuǎn)一周同步帶直線(xiàn)位移為55mm，相應(yīng)地傳動(dòng)裝置直線(xiàn)位移為55 mm，實(shí)現(xiàn)精確定位。系統(tǒng)還安裝有左限位、原點(diǎn)限位和右限位保護(hù)開(kāi)關(guān)。當(dāng)機(jī)械部件沿導(dǎo)軌作直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)超越過(guò)左極限或右極限位置時(shí)，左極限或右極限開(kāi)關(guān)就會(huì)動(dòng)作，相應(yīng)地其常開(kāi)觸點(diǎn)會(huì)動(dòng)作閉合，并向系統(tǒng)控制單元發(fā)送越程故障信號(hào)，起到保護(hù)設(shè)備的作用；原點(diǎn)限位開(kāi)關(guān)用來(lái)提供裝置往復(fù)運(yùn)行時(shí)的起始信號(hào)。

3 PLC控制

 PLC與步進(jìn)電機(jī)的接線(xiàn)原理見(jiàn)圖1。其中，PLC輸入點(diǎn)I0.0與限位開(kāi)關(guān)SQ1相連，實(shí)現(xiàn)原點(diǎn)到位檢測(cè)；輸入點(diǎn)10.1與限位開(kāi)關(guān)SQ2相連，且同中間繼電器KA1的線(xiàn)圈相連，實(shí)現(xiàn)左極限位保護(hù)；輸入點(diǎn)I0.2與限位開(kāi)關(guān)SQ3相連，且同中間繼電器KA2的線(xiàn)圈相連，實(shí)現(xiàn)右極限位保護(hù)。當(dāng)傳動(dòng)裝置向左前移時(shí)，發(fā)生左越程碰撞極限開(kāi)關(guān)SQ2，其就會(huì)動(dòng)作使常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，此時(shí)I0.1變?yōu)榈碗娖絆V信號(hào)傳遞給PLC；同時(shí)，中間繼電器KA1線(xiàn)圈所在的電氣回路接通，得電動(dòng)作，KA1的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器脈沖信號(hào)回路將斷開(kāi)，停止向外發(fā)出高速脈沖，電機(jī)停止運(yùn)行。同理，使用中間繼電器KA2的線(xiàn)圈和常閉觸點(diǎn)是為了在發(fā)生右越程碰撞極限開(kāi)關(guān)SQ3后，驅(qū)動(dòng)器停止向外發(fā)脈沖，強(qiáng)制停止電機(jī)。由此可見(jiàn)，由于編寫(xiě)程序錯(cuò)誤而引起的沖撞極限可能會(huì)造成設(shè)備損壞現(xiàn)象，可以通過(guò)中間繼電器KA1和KA2硬件電路接線(xiàn)的聯(lián)鎖保護(hù)來(lái)避免故障的發(fā)生。

4位置控制向?qū)Ь幊?/p>

 STEP7-Micro／WIN提供的位置控制向?qū)Чδ�，可以很快完成配置S7-200內(nèi)置PTO/PWM或位控模塊操作，生成的位置指令直接用在應(yīng)用程序中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制電機(jī)的位置和速度。依據(jù)工作任務(wù)要求和系統(tǒng)布置規(guī)劃了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

5  程序設(shè)計(jì)

 根據(jù)工作任務(wù)控制要求，系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：處理來(lái)自按鈕／開(kāi)關(guān)的主令信號(hào)；處理運(yùn)行中停車(chē)（如緊急停止、掉電等）后復(fù)位到原點(diǎn)的操作；處理產(chǎn)生控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)；處理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定位控制等信號(hào)。為此，除編寫(xiě)主程序外，還編寫(xiě)了初態(tài)復(fù)位子程序、返回原點(diǎn)子程序、控制電機(jī)運(yùn)行子程序以及急停信號(hào)處理子程序等。

5.1  主程序結(jié)構(gòu)

 系統(tǒng)主程序如下：

 (1)每一掃描周期都需要調(diào)用PTO0-CTRL子程序，見(jiàn)圖2。

 (2)檢查系統(tǒng)初始狀態(tài)時(shí)，應(yīng)完成裝置的準(zhǔn)備就緒工作，準(zhǔn)備就緒后等待啟動(dòng)，見(jiàn)圖3。

(3)按下啟動(dòng)按鈕后，工作運(yùn)行過(guò)程中有時(shí)要進(jìn)行停車(chē)信號(hào)的處理，見(jiàn)圖4。

5.2  復(fù)位初始狀態(tài)子程序及返回原點(diǎn)子程序

 為確定系統(tǒng)是否準(zhǔn)備就緒，是否可以啟動(dòng)投入運(yùn)行，系統(tǒng)通電后，首先按下復(fù)位按鈕，主程序就開(kāi)始調(diào)用復(fù)位初始狀態(tài)子程序，進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作和返回原點(diǎn)等復(fù)位操作以及檢查初始狀態(tài)階段。裝置運(yùn)行返回至原點(diǎn)的操作，整個(gè)工作過(guò)程會(huì)頻繁地進(jìn)行，一個(gè)可調(diào)用的回原點(diǎn)操作子程序見(jiàn)圖5。

5.3  控制電機(jī)運(yùn)行子程序

 控制電機(jī)運(yùn)行過(guò)程是一個(gè)單序列的步進(jìn)順序控制過(guò)程。參考程序STL如下：

5.4  急停信號(hào)處理子程序

 系統(tǒng)工作過(guò)程中按下急停按鈕，則系統(tǒng)立即停止運(yùn)行。急停按鈕被旋起復(fù)位后，裝置應(yīng)從急停按鈕被按下前的斷點(diǎn)開(kāi)始繼續(xù)工作。但是，當(dāng)傳動(dòng)裝置正在向目標(biāo)點(diǎn)直線(xiàn)位移時(shí)按下了急停按鈕，則急停按鈕旋起復(fù)位后應(yīng)首先返回運(yùn)行至原點(diǎn)處，然后再向目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)前移。系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，急停處理子程序在每一次掃描周期都需要被主程序調(diào)用。

6結(jié)語(yǔ)

 通過(guò)合理選擇控制單元、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及其他組件等，基于PLC電氣控制設(shè)計(jì)可以方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的位置和速度控制。利用軟件提供的位置控制向?qū)�，可以很快地完成高速脈沖輸出PTO的組態(tài)，建立電機(jī)運(yùn)行運(yùn)動(dòng)包絡(luò)�？s短了程序編制周期，提高了程序設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行位置的精確定位，滿(mǎn)足了工作任務(wù)的控制要求，具有可行的應(yīng)用價(jià)值。