用PLC實(shí)現步進(jìn)電機的直接控制應用實(shí)例

步進(jìn)電機的可編程控制器直接控制，可使組合機床自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)控制系統的成本顯著(zhù)下降。文章介紹了用PLC控制步進(jìn)電機驅動(dòng)的數控滑臺方法，伺服控制、驅動(dòng)及接口以及步進(jìn)電機PLC控制的軟件邏輯。

1 概述

在組合機床自動(dòng)線(xiàn)中，一般根據不同的加工精度要求設置三種滑臺（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?jiǎn)稱(chēng)PLC）以其通用性強、可靠性高、指令系統簡(jiǎn)單、編程簡(jiǎn)便易學(xué)、易于掌握、體積小、維修工作少、現場(chǎng)接口安裝方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)控制中。特別是在組合機床自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)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(jìn)電機開(kāi)環(huán)伺服機構應用于組合機床自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上的數控滑臺控制，可省去該單元的數控系統使該單元的控制系統成本降低70~90%，甚至只占用自動(dòng)線(xiàn)控制單元PLC的3~5個(gè)I/O接口及<1KB的內存。特別是大型自動(dòng)線(xiàn)中可以使控制系統的成本顯著(zhù)下降。

2 PLC控制的數控滑臺結構

一般組合機床自動(dòng)線(xiàn)中的數控滑臺采用步進(jìn)電機驅動(dòng)的開(kāi)環(huán)伺服機構。采用PLC控制的數控滑臺由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器、步進(jìn)電機驅動(dòng)器、步進(jìn)電機和伺服傳動(dòng)機構等部分組成，見(jiàn)圖1。

圖1

伺服傳動(dòng)機構中的齒輪Z1、Z2應該采取消隙措施，避免產(chǎn)生反向死區或使加工精度下降；而絲杠傳動(dòng)副則應該根據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(dòng)效率高、系統剛度好、傳動(dòng)精度高、使用壽命長(cháng)的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高且不能自鎖。

3 數控滑臺的PLC控制方法

數控滑臺的控制因素主要有三個(gè)：

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(kāi)關(guān)/死擋鐵）來(lái)實(shí)現；而數控滑臺的行程則采用數字控制來(lái)實(shí)現。由數控滑臺的結構可知，滑臺的行程正比于步進(jìn)電機的總轉角，因此只要控制步進(jìn)電機的總轉角即可。由步進(jìn)電機的工作原理和特性可知步進(jìn)電機的總轉角正比于所輸入的控制脈沖個(gè)數；因此可以根據伺服機構的位移量確定PLC輸出的脈沖個(gè)數：

n= DL/d （1）

式中 DL——伺服機構的位移量（mm），d ——伺服機構的脈沖當量（mm/脈沖）

3.2 進(jìn)給速度控制

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

f=Vf/60d (Hz) （2）

式中 Vf——伺服機構的進(jìn)給速度(mm/min)

3.3 進(jìn)給方向控制

進(jìn)給方向控制即步進(jìn)電機的轉向控制。步進(jìn)電機的轉向可以通過(guò)改變步進(jìn)電機各繞組的通電順序來(lái)改變其轉向;如三相步進(jìn)電機通電順序為A-AB-B-BC-C-CA-A…時(shí)步進(jìn)電機正轉;當繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A…順序通電時(shí)步進(jìn)電機反轉。因此可以通過(guò)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(lái)實(shí)現，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來(lái)改變步進(jìn)電機繞組的通電順序實(shí)現。

4 PLC的軟件控制邏輯

由滑臺的PLC控制方法可知，應使步進(jìn)電機的輸入脈沖總數和脈沖頻率受到相應的控制。因此在控制軟件上設置一個(gè)脈沖總數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(shí)器構成，如圖2所示。脈沖頻率可以通過(guò)定時(shí)器的定時(shí)常數控制脈沖周期，脈沖總數控制則可以設置一脈沖計數器C10。當脈沖數達到設定值時(shí)，計數器C10動(dòng)作切斷脈沖發(fā)生器回路，使其停止工作。伺服機構的步進(jìn)電機無(wú)脈沖輸入時(shí)便停止運轉，伺服執行機構定位。當伺服執行機構的位移速度要求較高時(shí)，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(dòng)線(xiàn)上的一般伺服機構，其速度可以得到充分滿(mǎn)足。

圖2

5 伺服控制、驅動(dòng)及接口

5.1 步進(jìn)電機控制系統的組成

步進(jìn)電機的控制系統由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器和步進(jìn)電機功率驅動(dòng)器組成，其結構見(jiàn)圖1。

控制系統中PLC用來(lái)產(chǎn)生控制脈沖；通過(guò)PLC編程輸出一定數量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機的轉角進(jìn)而控制伺服機構的進(jìn)給量；同時(shí)通過(guò)編程控制脈沖頻率——既伺服機構的進(jìn)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(jìn)電機的通電順序分配到相應的繞組。PLC控制的步進(jìn)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(jìn)電機繞組相數M>4時(shí)，對于大型生產(chǎn)線(xiàn)應該予以充分考慮。采用硬件環(huán)行分配器，雖然硬件結構稍微復雜些，但可以節省占用PLC的I/O口點(diǎn)數，目前市場(chǎng)有多種專(zhuān)用芯片可以選用。步進(jìn)電機功率驅動(dòng)器將PLC輸出的控制脈沖放大到幾十~上百伏特、幾安~十幾安的驅動(dòng)能力。一般PLC的輸出接口具有一定的驅動(dòng)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(jìn)電機則要求幾十~上百伏特、幾安~十幾安的驅動(dòng)能力，因此應該采用驅動(dòng)器對輸出脈沖進(jìn)行放大。

5.2 可編程控制器的接口

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

6 應用實(shí)例與結論

將PLC控制的開(kāi)環(huán)伺服機構用于某大型生產(chǎn)線(xiàn)的數控滑臺，每個(gè)滑臺僅占用4個(gè)I/O接口，節省了CNC控制系統，其脈沖當量為0.01~0.05mm,進(jìn)給速度為Vf=3~15m/min,完全滿(mǎn)足工藝要求和加工精度要求。