用PLC实现三相六拍步进电机驱动_机械/仪表_工程科技_专业资料。基于Plc的控制系统

　　第１ ７卷第 ６期 ２０ ０ ４年 １ １月 Ｄｖ ｏｍ ｎ ＆ Ｉ ｏａｏ ｏ ｍ ｃｉ ｒ ＆ ｅ ｃｉｌｄｃ ｅ ｌ ｅｔ ｎ ｖ ｉ ｆ ｈ ｅ ｅｐ ｎ ｔｎ ａ ｎｙ ｌ ｔｃ ｐ ｕｔ ｅ ｒａ ｒ ｓ ｏ 机电产品开发与创新 Ｖ ｌ ７Ｎ ． ｏ １ ，ｏ６ ． Ｎ ｖ，０ ４ ｏ． ０ ２ 用Ｐ Ｃ实现三相六拍步进电机驱动 Ｌ 施世存 （ 省东台市职业教育中心校， 东台 ２４０ ） ２２０ 摘 要：步进电机广泛应用于数控机床、加工中心等现代先进加工设和 自 动化设。 Ｐ Ｃ Ｌ 一可编程控制 器作为计算机技术和继电接触器相结合的产物，可用于实现步进电机驱动的过程控制，使步进电 机动作的杭干扰能力强、可靠性高，同时，由于实现了模块化结构 ，使 系统构成十分灵活，便于 在线修改，产品改型的适应性强。本文主要分析说明三相六拍步进电机的Ｐ Ｃ编程控制。 Ｌ 关键词：步进电机；Ｐ Ｃ；编程 Ｌ 中图分类号： Ｍ ７ Ｔ５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０－６３０４ ０－０－３ ０２６７ （ ０ ） １０ ０ ２ ６ 表 １步进 电机的分类 分类 方式 按力矩 产生 的 原理 ０ 引言 目 ， 前 世界上发达国家生产和使用 Ｐ Ｃ的数量 日益 Ｌ 增多，它作为工业控制器广泛地应用于冶金生产、汽车 制造 、石油化工、轻工食品、能源 、交通等几乎所有工 业领域。其控制方法也从简单的单机开关量控制向过程 控制 、数字控制和多机网络控制方向发展。 具体类型 （反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组组 １ ） 产生反应力矩实现步进运行。 （激磁式：定子、转子均有激磁绕组 （ ２ ） 或转子用 磁钢 由电磁力实现步进运行 。 按输 出 力矩 大小 按定 子数 按各相绕 组分布 传统电器控制，使用多的电器是继电器，而且继 电器控制采用 固定接线 ，很难适应产 品机 型 的更新换 代。生产线承担的加工对象改变后 ，加工控制程序随之 改变要求。对于大型 自 动化生产线的控制系统使用的继 电器数量很多，这些有触点的电器工作频率较低 ，在频 繁动作的情况下，寿命较短 ，容易造成系统故障，使生 产运行的可靠性 、稳定性降低。 （伺服式：输出力矩在百分之几 （ ｍ １ ） ｍ ）只能驱动 较小的负载，要与液压扭矩放大器配合 ，才能驱 动机床工作台等较大的负载。 （功率式： ２ ） 输出力矩在工作上５５Ｎ －０ ＂ 可以 － ｍ以上， 直接驱动机床工作台等较大的负载。 （）单定子式； ．）双定子式； １ （ ２ （）三定子式； 。）多定子式。 ３ （ ４ （径向分相式：电机各相按圆周依次排列。 １ ） （轴向分相式：电机各相按轴向依次排列。 ２ ） 的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角。 。 （ ） 改变步进电机定子绕组的通电顺序 ，转子的 ２ 旋转方向随之改变。 使用 Ｐ Ｃ可编程控制器实现三相六拍步进电机驱 Ｌ 动，可使步进电机动作的抗干扰能力强、可靠性高，同 时，由于实现了模块化结构，使系统构成十分灵活，而 且编程语言简单易学 ，便于掌握。可以进行在线修改 ， 柔性好 ，体积小 ，维修方便。 （） 步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快 ， ３ 其转子旋转的速度越快 ，即通电状态的变化频率越高， 转子的转速越高。 （）步进电机步距角 。与定子绕组的相数 ｍ，转子 ４ 的齿数 ｚ ，与通电方式 ｋ 有关 ，可用公式表示 ： １ 步进 电机 １１ 步进电机的种类和结构 ． 步进电机的分类方式很多，根据不同的分类方式， 可将步进电机分为多种类型详见表 ｌ ａ ｔ ６０ｍ ） ｏ ３０ （ ｋ ｚ ＝ ／ 式中： ｍ拍时，ｋ １ ｍ相 ２ ｍ相 ＝ ； ｍ拍时，ｋ２ ＝ｏ １ 步进电机的主要特性 ． ３ （）步距角和静态步距误差 ：步进电机的步距角 ａ １ 是决定开环伺服系统脉冲当量的重要参数 ，数控机床中 常见的反应式步进电机的步距角一般为 ０ ０３，一般情 ． －０ ５ １ 步进电机的工作原理 Ｍ ． ２ 步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。 （） 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它 １ 收稿 日期 ：２ ０ － ８ ２ ０４ ０－４ 况下，步距角越小，加工精度越高，静态步距误差指理 论 的步距角和实际的步距角之差 ，以分表示 ，一般在 １‘ ０ 以内。步距误差 主要 由步进 电机齿距角制造误差 、 定子和转子间气隙不均匀、各相电磁转矩不均匀等因素 作者简介：施世存 （９５ ，男。主要从事机电专业教学及 １６－） 研 究 工作 。 １０ ０ 万方数据 测试与控 制 造成的，步距误差直接影响工作的加工精度以及步进电 机的动态特性。 ２ 三相六拍步进 电机 三相六拍步进电机是一典型单定子、径向分相 、反 应式伺服电机。其结构原理图如图 ３ 所示。它与普通电 机一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子 铁芯和定子绕组。定子铁芯由电工钢片叠压而成。定子 绕组绕制在定子铁芯上 ，六个均匀分布齿上的线圈，在 直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起 ，构成一 相控制绕组。三相步进电机可构成三相控制绕组 ， 若任 一相绕组通电，便形成一组定子磁极 ，其方向即图 ３中 所示的 Ｎ 极。在定子的每个磁极上 ，即定子铁芯上的 ３ 每个齿上开了五个小齿， 齿槽等宽， 齿间夹角为 ９， ０ 转子上 （）动频率 ｑ ｆ：空载时，步进电机由静止突然启 ２ 动 ，并进人不丢步的正常运行所允许的频率 ，称为 启动频率或突跳频率用ｆ表示， ｑ 若启动频率大于突跳频 率，步进电机就不能正常启动，ｆ 与负载惯量有关，一 ｑ 般说来随着负载惯量的增长而下降。空载启动时，步进 电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于突跳频率。 （）连续运行的工作频率 ｆ ，步进电机连续运 ３ 行时， 它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率ｆ － ， 称为工作频率。它是决定定子绕组通电状态变 化频率的参数 ，它决定 了步进电机的转速 。其值大 于ｆ，并且随着负载的性质和大小而异，与驱动电源也 ｑ 有很大的关系。 没有绕组， 只有均匀分布的４ 个小齿， ０ 齿槽也是等宽的， 齿 间夹角也是 ９， ０ 与磁极上的小齿一致。此外 ，三相定子磁 （）加减速特性 ：步进电机的加减速特性是描述步 ４ 进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速 过程中，定子绕组通 电状态的变化频率与时间的关系。 当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频而停止时， 变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和逐渐下降的加速时 间、减速不能过小，否则会出现失步或超步。我们用加 速时间常数来描述步进电机的升速和降速特性见图 ｔ ｏ ｆｚ （） Ｈ 极上的小齿在空间位置上依次错开 １３ ／ 齿距 ，如图 ４ 所 示。当 Ａ相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时， Ｂ相磁 极上的齿刚好超前 （ 或滞后） 转子齿轮 １３ ／ 齿距角， 相 Ｃ 磁极齿超前 （ 或滞后） 转子齿 ２３ ／ 齿距角。 １绕 组 ． ２定子铁芯 ． ３转于铁芯 ． ４ ． Ａ相磁通 ｃ ｐ ａ 指令 ｔ） （ ｓ 图 ３ 单定子径 向分相反应式伺服步进电机结构原理图 图 １ 加减速特性曲线 Ａ相 Ｂ相 Ｃ相 （）矩频特性与动态转矩。矩频特性 Ｍ Ｆ） ５ ＝ （ ，图 ｆ ２ 是描述转矩一 频率关系的曲线，该特性曲线上每一个频 率对应的转矩称为动态转矩。可见 ，动态转矩随连续频 率的上升或下降。 上述步进电机的主要特性除项外，其余均与电 源有很大关系。驱动电源性能好 ，步进 电机 的特性可能 得到明显改善。 Ｍｄ ） （ｍ Ｎ 顺时针方向 圈４ 步进电机齿矩 ＼ ＼ ＼一 ０ ４ ６８ １ １ ２ ６ 三相六拍步进电机的工作原理 （ 激磁式）如图 （ ， ３ ） 当Ａ相绕组通电时， 转子的齿与定子 Ａ Ａ上的齿对齐。若 Ａ相断电，Ｂ相通电，由于磁力的作用 ，转子的齿与定 子Ｂ Ｂ上的齿对齐，转子沿顺时针方向转过 ３，如果控 ０ 制线路不停地按：亡空 旦 旦 的顺序控制步进电机绕 立二 口 组的通 电、断电 ，步进 电机的转子便不停地顺时针转 动，这是三相三拍。而当 Ａ Ｂ同时通电时 ，由于两个磁 力的作用，定子绕组的通电状态每改变一次 ，转子转过 １１ ０ ｆ＊０ ０ ｚ （１０ Ｈ ） 圈 ２ 转 矩一 率特 性 曲线 频 万方数据 ? 测试 与控 制 ? １０ ． ，原理与三相三拍相同， ５ 从而形成三相六拍， 其通电顺 序 为： 这样循环下去 ，就是梯形图所表达的三相六拍步进电机 的工作原理。当然 ， 叙述的并不完整 ， 只是稍稍解释了大 户ＡＡ Ｂ －Ｂ 月 Ｃ－ ｝ ＡＣ礴ｅ ｅＣＢ 呼 － Ｃ呀ｅ ｓ ｓ ｓ －ＣＣｏ Ａ 习 － 或 户 Ａ－Ｂ－ ＢＣＨ ＡＢ＂ 一 ， 意， 开始 Ｙ Ｏ ，Ｏ １Ｙ ０ 失电的同时 ， ＯＯＹ Ｏ ，０２ 与其一起的计时 器也会失电。 ３ Ｌ Ｐ Ｃ梯形图 ［Ｊ ２ － ５ 图 ５中 Ｙ ０ ０ 是 Ａ相线 ０３ ０４ Ｏ Ｔ Ｔ Ｔ Ｔ ４ 步进电机的驱动控制电路 阎 上面的梯形图只能从概念上表示步进电机的工作原 都是时间继电器 ，００ Ｘ ０ 是输人部分， 又是一按钮。 根据梯形图写 出指令表 ： Ｌ Ｙ ０ Ｄ Ｙ ０ Ｄ ０ ０ Ｌ ０ １ Ａ Ｔ ０ ＯＵ Ｔ ０ ＮＩ ０ ２ Ｔ ０ ２ Ｏ Ｘ ０ Ｄ Ｙ ０ Ｒ ０ ０ Ｌ ０ １ ＯＲ Ｔ ０ Ｏ Ｔ Ｔ ０ ０ ５ Ｕ ０ ３ ＯＵ Ｙ ０ Ｄ Ｙ ０ Ｔ ０ ０ Ｌ ０ ２ Ｌ Ｙ ０ Ｉ Ｔ ０ Ｄ ０ ０ ＡＮ ０ ０ Ｏ Ｔ Ｔ ０ Ｏ Ｔ ０ Ｕ ０ ０ Ｒ ０３ Ｌ Ｙ Ｏ Ｒ Ｘ ０ Ｄ Ｏ Ｏ Ｏ ０ ０ 理，而真正要步进 电机工作起来 ，并不是那么简单的， 那需要一个完善的步进电机的驱动控制线路。该线路包 括脉冲混合电路 、加减脉冲分配电路 、加减速电路 、环 形分配器 ，如图 ６ ，并应能接收和处理各种类型的进给 指令控制信号。如 自动进给信号、手动信号和补偿信号 等，脉冲混合电路 、加减脉冲分配电路、加减速电路和 环形分配器可用硬件线路来实现。 脉 冲 混 合 电 路 路 电 速 减 加 ＯＵ Ｔ ０ Ｏ Ｔ Ｙ ０ Ｔ ０ １ Ｕ ０ ２ Ｌ Ｙ０ １ Ｄ Ｙ０ ２ Ｄ ０ Ｌ ０ ＡＮ Ｔ ０ ＯＵ Ｔ ０ Ｉ ０ ４ Ｔ ０ ４ ＯＲ Ｔ ０ Ｌ Ｙ ０ ０ １ Ｄ ０２ ＯＵ Ｙ０ １ Ｔ ０ ＯＵＴ Ｔ ０ ０５ Ｙ ｌ ＷＯ 图 ６ 驱动控制线路框圈 匕一 一一－－ Ｉ－－ ｔ－ － 一卜 州而 － 一一— 叫 卜 — 一一一州卜一 一一 ｒ ＩＩ Ｍ Ｋ ［ＷＩ ２ Ｔ ］ Ｋ ［Ｏ ｌ Ｙ Ｏｌ ５Ｂ Ｖ 模拟动画 ［ ｓ ］ 在此项 目中用 了多个时钟来控制各条线颜色的变 化，当不通电时，是黑色，通电则变为紫色，计时器断 电用绿色。由于时钟的作用 ，在视觉上就可以看到变色 的效果。本来梯形 图与步进 电机原理图在一个窗 口中， 由于画不下的缘故 ，将步进电机原理图放在了第二个窗 口中，在个窗口中设置一个按钮 ，编程加载窗 口 ２ ０ 卜－ Ｙ１ 一一 一 — －０ 一一 一一 一 ０卜 ｉ Ｙ０ １ ０ 一 — ＿卜 １ 一一一一 — — －一 Ｙ０ ０１ ［Ｗ２ Ｉ Ｔ ］ Ｋ 一 Ｗ卜Ｗ一 － ［Ｗ３！２ －Ｙ 一［加２Ｋ １Ｔ 一－ Ｔ ］ Ｏ Ｙ 二 － －一 、 里Ｙ ｝一 ！ ０ ４ ０ － — 一Ｉ ￣ －１ － －１ ４ － １ 一 州卜 － － 一一 － － 一－ 一 — Ｙ ０ ０ Ｐ １ ｗ４ ｎ ｏｌ ｏ５ 卜 一一 一 — 步进原理图中是将线圈颜色变红以示通电，中间有 １ ２ 条紫色的线只是为了增加旋转的效果而让它们 “ 隐藏一 显示 ” 。 圈 ５ Ｌ Ｐ Ｃ梯形圈 当接通电源时瞬间 Ｘ ０ ００接通 ，ＯＯＹ ０ 得电， Ｙ Ｏ ，Ｏ２ 即 Ａ相、 Ｃ相得电， 且分别 自 锁。 此时 Ｔ Ｏ ，００Ｔ ０ ，Ｏ５ Ｏ ＩＴ ０ ，０４Ｔ ０ 计时器也得电，延时 １ Ｔ ０ 常开触点闭合。Ｙ ０ 得 秒，０ １ ０１ 电， Ｙ ０ 即 ０ １自锁。 此时 Ａ， Ｂ相同时得电扩０２Ｔ ０ 计时 ［０ ，Ｏ ３ 器开始计时， 秒后 Ｔ ０ 常闭触点断开 ， Ｉ ０２ Ａ相线圈失电， 便只剩 Ｂ相得电， １ 又 秒后 ，０３ Ｔ ０ 常开触点闭合。 ０２ Ｙ０ 即 Ｂ相线圈得电，此时是 Ｂ Ｃ相一起得电，０ ４Ｔ ０ 开始 ， Ｔ ０ ，Ｏ５ 计时，秒后 Ｔ ０ 常闭触点断开，Ｏ ｌ １ ０４ ， Ｏ 即Ｂ相失电， Ｃ Ｙ 就剩 相得电， １ 又 秒后， ０ 常开触点闭合， １ ５ ０ ， Ａ相得电， 自锁。 并 参考文献 ： ［ 朱晓春． １ ］ 数控技述【］ Ｍ． 机械工业出版社． 北京： ［ 周军． ２ ］ 电气控制及Ｐ ＣＭ． 京： Ｌ ［］ｔ 机械工业出版社． Ａ ［ 季沛曾Ｖ ｕ Ｂｓ ６ ３ ］ ｉａ ａｃ ｓ ｌｉ ． ０程序设计教程［］匕 高等教育出版 Ｍ． 京： Ｉ 社卜 ［ 王兆义． ４ ］ 可编程控制器教程［］ Ｍ． 北京： 机械工业出版社． ［ 易传禄． ５ 〕 可编程控制器应用指南〔］ Ｍ． ： 科学普及出版社． ［ 黄筱调， ６ ］ 赵松林． 机电一体化技术基础及应用［］ ［ ． 机械工业 Ｍ 北京： 出版 社 ． １２ ０ 万方数据
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