基于PLC控制的四相步进电机的电路设计

步进电机作为执行元件之一，具有电脉冲信号的转换功能，可以将其转换成直线位移或者角位移。电机的输出位移量同输入脉冲个数之间为正比关系，电机的转速同脉冲频率之间成正比关系，电机的转向同各相绕组的相序也存在直接关联。因此，要想实现对步进电机的速度、转向以及输出位移量的控制，可以通过控制脉冲个数、脉冲频率和各相电机绕组的相序来实现。步进电机的启动、停车、反转等各种运行方式都可通过少数脉冲改变，且控制精度高，应用广泛。 1、PLC的特点与应用 PLC是可编程序控制器的简称，PLC的研制基础是继电器控制以及计算机控制，作为新型的工业自动控制装置，其核心是微处理器，将自动化、计算机、通讯等技术于一体，具有安全可靠、环境适应能力强、编写程序简单方便等诸多优点，目前已在工业自动化领域广泛应用。 1.1较高的可靠性 PLC的I/O接口电路全部使用的是光电隔离，进而实现了现场外电路同内电路之间的电气隔离；RC滤波器的全面使用，缩短了滤波时间，通常仅需10～20ms；屏蔽措施的广泛应用，有效避免了辐射干扰；开关电源具有良好的自诊断功能，性能优良，如果遇到电源故障或者软硬件问题，CPU可以立即进行分析处理；其使用的编程语言简单而方便，信息保护和恢复功能易于实现；警戒时钟WDT的应用给用户带来很大方便；能够实现程序备份功能以及动态数据电池的后备功能。这些措施保证了PLC具有较高的可靠性。 1.2模块化结构设计，通用性较强 PLC厂家为用户提供有多种多样的功能模块，开发出了各种系列化的产品。用户可以按照实际需要，选择适合的PLC产品，进而组建符合需求的控制系统。应用设计过程中，用户大都无需制作各种附加装置。PLC生产厂家为满足工业控制需求，CPU、电源、I/O等构成了PLC的主要组成部件，其结构大都按模块化设计，各模块之间主要通过机架和电缆连接，用户可以按照系统规模和功能自行组合模块，简单灵活，方便实用。另外，PLC的I/O接口模块十分丰富、编程方法简单多样，安装容易、维修方便。 1.3PLC的应用 PLC如今已在工业自动化领域得到广泛应用。在机械行业、冶金行业、轻工行业、石化行业、电力行业、纺织行业、电子产业、食品行业等多种行业中都发挥着不可替代的重要作用。有研究表明，80%以上的工业控制能够通过PLC实现。PLC能够实现逻辑顺序控制功能，数据处理功能，对过程进行控制功能以及通信互联网等多种功能。PLC能够实现控制步进电机的功能，并且能够提高其抗干扰能力和可靠性。 2、步进电机的控制方法 2.1四相步进电机的控制要求 其主要是能够实现对电机转速、正反转以及步数的控制。 2.2转速控制 输入脉冲频率是决定步进电机转速的关键因素。由图1可知，输入脉冲周期如果发生改变，A、B、C、D四相绕组的高低电平宽度必须同时发生改变。造成通电、断电的变化速率发生改变，进而影响电机转速。 2.3正反转控制 可以通过改变各绕组的通电顺序实现对步进电机的正、反转控制。四相双四拍步进电机通电顺是AB—BC—CD—DA—AB……此时电机正转；当绕组通电顺序是AD—DC—CB—BA—AD……此时电机反转。所以，通过改变输出脉冲顺序，进而改变各绕组的通电顺序，就能完成对电机的正、反转控制。 2.4步数控制 每输入一个电脉冲，步进电机就会前进一步，其输出的角位移同输入脉冲数之间是正比关系。为此，我们可以按照其输出位移量的大小，对PLC的输出脉冲个数进行确认，从而控制电机的步数。其公式为： n=△L/δ 在此公式中，△L代表电机的输出位移量(mm)，δ代表脉冲当量(mm/脉冲)。 3、基于PLC控制系统的电路设计方案 因为步进电机的运动不会产生旋转量的误差累积，因此，无需反馈信号的开环控制是步进电机控制的最大特点。该PLC控制系统使用三菱FX2—32MR，参见图2。 按照要求，I/O的分配情况参见表1。 3.1步进电机驱动电路 基于PLC控制的四相步进电机大致分为两种：其一是通用PLC控制的步进电机，其二是PLC专用步进驱动模块控制的步进电机。模块控制相对可靠性较高，通用PLC控制系统构成相对简单，工程造价相对较低，各有所长。步进电机的驱动电路参见图3。 图3列出了四项驱动电路之一，其余三相以为标准。如图所示，三极管T1的作用相当于一个开关，如果三极管T1截止，那么集电极电流呈现流通状态，此时开关就会断开；如果三极管T1饱和，那么集电极电流增大，此时开关就会闭合，要想控制该开关，需要首先控制加于基极的电流。三极管T2和三极管T3共同组合成了达林顿式功放电路，实现驱动电机的四个绕组功能，其能够使电机绕组的静态电流达到2A。而光电耦合器的作用主要是有效控制和驱动信号隔离。如果输入信号是低电平，三极管T1截止，输出信号为高电平，那么此时红外发光二极管就会截止，而光敏三极管也不会导通，因此绕组中并没有电流流过；如果输入信号是高电平，三极管T1饱和，那么此时红外发光二极管就会发光，而光敏三极管也会随之导通，并向功率驱动级晶体管供给基极电流，因此绕组中会有电流导通。 3.2PLC控制四相步进电机的方法 3.2.1步进电机转速的控制实现方法 众所周知，脉冲是由脉冲发生器按照周期运动产生，为此，我们首先要对脉冲控制器进行选择，然而再经由环形分配器实现如下图所示Y0、Y1、Y2、Y3四个输出继电器按照双四拍的通电方式进行接通。 3.2.2步进电机正、反转的控制实现方法 我们可以通过对改变各绕组的通电顺序的方法来控制如图Y0和Y1，Y2和Y3的接通顺序。达到正、反转控制目的。即 4、结语 基于PLC控制的步进电机的设计方法简便可行、操作性强、可靠性高，控制参数改变容易，PLC的I/O接口占用较少，同时外联接口较为方便，这样就最大程度地降低了系统设计工作量，使系统开发周期变短，并且节省财力，具有较高的推广和应用价值。 参考文献 [1]金洪翔,李凡,安冀昀.简述四相八拍步进电机的PLC编程控制[J].黑龙江科技信息;2009年22期. [2]詹跃东,电机及拖动基础[M].重庆:重庆大学出版社,2002,12. [3]林春方.可编程控制器原理及其应用.上海:上海交通大学出版社[M],2004.