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1、基于PLC的步进电动机的控制系统及其智能保护 摘要本文在步进电动机的基础上，利用可编程控制器PLC的性能特点，设计出PLC可控的步进电动机控制系统，并完成了加减速的设计，最后对控制系统的智能保护进行了理论上讨论，得到电机控制的新方法。关键词 步进电动机 PLC 智能保护 控制sumary:This paper, on the basis of stepping motor, uses the programmable controller PLC characteristics, design PLC controlled stepper motor controlling system, a
2、nd finishes the design of the acceleration and deceleration, finally the control systems intelligent protection were discussed theoretically, we receive the motor controlling new method.key word stepping motor; PLC; intelligent protection; control1、引言步进电动机是一种把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。在自动控制装置中作为执行元件。每
3、输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机。步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。可编程逻辑控制，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心、用作数字控制的专用计算机。1可编程序控制器目前已经广泛应用于各种机械设备和生产过程的自动控制系统中。PLC以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术,编程方法简单易学,功能强大,性价比比较高。同时,PLC是为适应工业
4、环境下的应用而设计的控制装置,采取了一系列硬件和软件抗干扰措施,可靠性高,抗干扰能力强大。PLC采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、 定时、计数和算术运算等操作指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。 PLC主要由CPU模块、输入模块、 输出模块和编程器组成。PLC通过步进电机驱动器对步进电机进行控制,实现对步进电机的正转、反转和速度控制。而要进一步提高系统的控制性能，就需要改变高性能伺服系统中的非线性、参数变化、扰动和噪声等控制问题22、正文2.1步进电动机2.1.1电动机简介步进电动机和一般电动机一样，分为定子和转子两大部分。定子有硅
5、钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，有环形分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁；转子用硅钢片叠成或用软磁材料做成凸极结构，步进电动机的位移量与输入脉冲数严格成比例，其转速与脉冲频率和步距角有关。1步进电动机是受其输入信号而动作的，脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为使电动机能够输出足够的功率，经环形分配器所产生的信号还需进行功率放大。2.1.2步进电动机的选择在选择步进电动机时主要考虑的是步进电动机的类型选择，根据系统要求，确定步进电动机的电压值、电流值以及有无定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，从而就可以确定步进电动机的相数和拍数。32.1.
6、3步进电动机驱动器 在对步进电机进行控制时,常常采用步进电机驱动器对其进行控制。步进电机驱动器采用超大规模集成电路组成,具有高度的抗干扰性以及快速的响应性,不宜出现死机或丢步现象。步进电机驱动器主要有电源部分、信号输入部分、输出部分组成。在与PLC连接时,需要连接的信号主要有脉冲输入信号和方向信号。 在采用步进电机驱动器来控制步进电机时,可以不考虑步进电机各相的时序问题,只要考虑输出脉冲的频率和步进电机的方向。当步进电机驱动器收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按照设定的方向转动一个固定的角度。根据生产机械的要求和步进电动机在整个系统中的实际情况来确定如何选用步进电动机伺服系统，22可编程逻辑控
7、制器PLC的选择PLC要和步进电机配合实现运动控制，需要在PLC内部进行设定并编制一定的程序。另外，步进电机控制是要用高速脉冲控制的，所以PLC必须是可以输出高速脉冲的晶体管输出形式，不可以使用继电器输出形式的PLC来控制步进电机。例如：S7-200 PLC在工业生产中得到了广泛的应用,可以用于开关量控制,也可用于运动控制,具有发送高速脉冲功能，该PLC的型号是CPU 224DC/DC/DC,采用24V直流供电,直流数字输入和输出,并采用晶体管型输出,最高可以输出20kHz的高速脉冲,有1个串行通信端口。该PLC有14个输入点,10个输出点。S7-200 CPU224 CN有两条高速脉冲输出指
8、令PTO和PWM,产生高速脉冲串和脉冲宽度可调的波形,可以用来控制2个步进电机。 在利用PLC对步进电机进行控制时,只能利用Q0.0和Q0.1作为脉冲输出点,可以同时控制两个步进电机。S7-200 PLC可以设置控制字节和参数来设置PTO/PWM发生器,然后通过脉冲输出指令PLS,进行高速脉冲的输出。2.2控制功能设计 2.2.1编程设计PLC以S7-200为例来说明。计算机和S7-200 PLC通过USB接口的PC/PPI电缆进行连接和通信。STEP7-Mi-cro/Win32软件是S7-200的编程软件。对于CN的S7-200 PLC,在编写PLC程序时,需要将编程软件设置为中文界面,才可
9、以下载PLC程序。PLC的编程可以采用梯形图和STL。PLC梯形图程序扫描原则,按先左后右、先上后下的顺序,逐行逐句扫描,执行程序。本文采用STL进行编程。梯形图和STL可以进行自动转换。S7-200有两个高速脉冲输出端,即Q0.0和Q0.1。当PLC没有采用设置为PTO/PWM输出时,Q0.0和Q0.1作为普通的输出端口使用。本文采用Q0.0作为高速脉冲串输出,采用Q0.2控制步进电机的正反转。按下按钮I0.0时,步进电机正转,按下按钮I0.1时,步进电机反转,按下按钮I0.2时,步进电机停止。STL格式的程序如图1所示。通过寄存器SMB67可以设置输出高速脉冲周期的时间单位。 如果SMB6
10、7设置为16#8D,时间单位为ms;如果SMB设置为16#85,时间单位为s。在程序中设置高速脉冲的周期是100ms。寄存器SMD72设置输出的脉冲个数,必须是整数。 最后,通过脉冲输出指令PLS启动脉冲的输出。如果采用Q0.1作为高速脉冲串输出,对应的特殊寄存器分别是SMB68、 SMW78和SMD82。42.2.2加减速运行的设计通过PLC程序从外部输入脉冲数值，并能实现正反转运行。初始周期为2000s，最高频率的周期为1000s，则对于第一段包络线来说，脉冲发生器调整脉冲周期的增量值：周期的增量值=(ECT-ICT)/Q =(1000-2000)/110 =-9s/周期式中的ETC、IC
11、T和Q分别是该段最高频率的周期、初始时的周期和脉冲数5。由上面的计算过程式可知，对于给定了初始频率、运行频率以及行程。可以根公式计算出频率上升的斜率，基于此原则，可以在子程序中设定外部给定的三个变量：初始频率、运行频率、脉冲数，计算出各段运行脉冲数。根据此原理进行对程序的设计。程序设计中PLC的I/O分配如下表所示3。系统的I/O分配表3PLC端实验板端注释I0.0SW0停止I0.1SW1启动I0.2SW2加脉冲数I0.3SW3减脉冲数PLC端电机驱动器端注释Q0.0脉冲(CP)PLC输出脉冲Q0.2方向(DIR)电机运行方向控制3智能保护3.1.智能控制及其控制目的智能控制是自动控制领域内的
12、一门新兴学科，模糊控制与神经网络是其中的两项关键技术，可以用来解决一些传统控制方法难以解决的问题。首先，智能控制不依赖于控制对象的数学模型，只按实际效果进行控制，在控制中有能力并可以充分考虑系统的不精确性和不确定性。其次，智能控制具有明显的非线性特征。就模糊控制而言，无论是模糊化、规则推理，还是反模糊化，从本质上来说都是一种映射，这种映射反映了系统的非线性，而这种非线性很难用数学来表达。神经网络在理论上就具有任意逼近非线性有理函数的能力，还能比其他逼近方法得到更加易得的模型。近些年来，已提出了各种基于智能控制的控制策略和控制方法，已逐步形成了一种新的控制技术。应着重指出的是，虽然将智能控制应用
13、于伺服驱动的研究已取得了不少成果，但是还有许多理论和技术问题尚待解决。由于智能控制涉及面广，不可能具体介绍很多内容，好在这方面已有很多文献可供参考，这里希望通过举例来介绍它们的控制思想和控制方式。3.2智能电机控制系统的组成及应用3.2.1逆变器现阶段，很多生产加工行业常用的是以星形三相三状态和两相导通星形三相六状态两种方式。主电路的核心部分是作用各异的逆变器功率开关管。在电机使用中，首先由驱动电路将控制器的输出信号进行功率放大后，才能向各功率开关管送去使其能饱和导通和可靠关断的驱动信号。随着集成电路技术的发展，现在已经把驱动电路制成有一定输出功率的专用集成电路，并且已经开始渐渐在无刷直流电动
14、机上得到推广应用。3.2.1控制器智能电机中的控制器主要有两个概念。一个是基于专用集成电路的控制系统。就现在的市场环境来讲，国内很多生产厂家推出了不同规格和用途的无刷直流电动机控制专用集成电路。这些具有一定专利的指定电机配用的集成控制电路克服了分立元件带来的弊端，使控制电路体积小、可靠性高，对于特定环境下完成特定功能、并具有规模化生产的无刷直流电动机来说， 是首选方案。但其应用范围局限性大， 功能难以扩展。第二种智能电机中的控制器主要是指以微型计算机技术为核心的数模混合控制系统与全数字化控制系统。随着无刷直流电动机应用领域的应用范围越来越广，对它的实用性能也提出了更高的要求，因而其控制器由以硬
15、件模拟电子器件为主， 转向采用数字电路、 单片机以及数字信号处理器方向发展， 实现半数字化的数模混合控制和全数字化控制， 控制规律由硬件实现转向以软件实现。3.2.3实际生产中的应用在电机控制中应用时，首先应根据先验系统确立模糊变量和模型集； 其次要确立模糊规则和模型推理的操作算子。与这种控制方法相适应的小型生成方法主要侧重于空间电压矢量 SPWM 方法。在控制中要针对低速特性和电机参数特性采取相应的专家系统或在线状态观测。这样做的效果表明，它不但适应于一般变频调速特性和电机参数特性，更适应于伺服控制和机器人控制。4结论本文从最开始的步进电机、步进电机驱动器以及整体控制功能的数据分析入手，在硬
16、件上对PLC、步进电机以及步进电机驱动器进行了选择，最后编制出PLC程序实现了利用PLC发出高速脉冲对步进电机的加减速控制，给出了利用PLC通过步进电机驱动器进行步进电机控制的方法,详细的介绍了系统的硬件组成和软件编程。 通过PLC的编程,可以非常方便的实现步进电机的正转、反转和速度控制。该方法操作简单，可靠性高。采用PLC对步进电机进行控制，通过改变控制参数可以非常方便的进行步进电机的控制。电机技术的不断升级发展，在社会生活的各个领域都发挥了巨大的作用。如何保持电机的稳定性和安全性能，更好地为各领域生产建设企业服务，促进社会经济和各行业的快速发展， 成为技术人员需要不断公关的课题。客观地讲， 我国
