plc控製步進電機直接控製

1. 概述

　　在組合機床自動線中，一般根據不同的加工精度要求設置三種滑台：

　　(1)液壓滑台，用於切削量大，加工精度要求較低的粗加工工序中;

　　(2)機械滑台，用於切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中;

　　(3)數控滑台，用於切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。可編程控製器(簡稱PLC)以其通用性強、可靠性高、指令係統簡單、編程簡便易學、易於掌握、體積小、維修工作少、現場接口安裝方便等一係列優點，被廣泛應用於plc控製步進電機工業自動控製中。

　　特彆是在組合機床自動生產線的控製及CNC 機床的S、T、M 功能控製更顯示出其**的性能。PLC 控製的步進電機開環伺服機構應用於組合機床自動生產線上的數控滑台控製，可省去該單元的數控係統使該單元的控製係統成本降低

　　70~90%，甚至隻占用自動線控製單元PLC 的3～5 個I/O 接口及<1KB 的內存。特彆是大型自動線中可以使控製係統的成本顯著下降。

　　2. PLC 控製的數控滑台結構

　　一般組合機床自動線中的數控滑台采用步進電機驅動的開環伺服機構。采用PLC 控製的數控滑台由可編程控製器、環行脈衝分配器、步進電機驅動器、步進電機和伺服傳動機構等部分組成，伺服傳動機構中的齒輪Z1、Z2 應該采取消

　　隙措施，避免產生反向死區或使加工精度下降;而絲杠傳動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，具有傳動效率高、係統剛度好、傳動精度高、使用壽命長的優點，但成本較高且不能自鎖。

　　3. 數控滑台的PLC 控製方法

　　數控滑台的控製因素主要有三個：

　　3.1 行程控製

　　一般液壓滑台和機械滑台的行程控製是利用位置或壓力傳感器(行程開關/死擋鐵)來實現;而數控滑台的行程則采用數字控製來實現。由數控滑台的結構可知，滑台的行程正比於步進電機的總轉角，因此隻要控製步進電機的總轉角即

　　可。由步進電機的工作原理和特性可知步進電機的總轉角正比於所輸入的控製脈衝個數;因此可以根據伺服機構的位移量確定PLC 輸出的脈衝個數：n= DL/d (1)式中 DL——伺服機構的位移量(mm)

　　d ——伺服機構的脈衝當量(mm/脈衝)

　　3.2 進給速度控製

　　伺服機構的進給速度取決於步進電機的轉速，而步進電機的轉速取決於輸入的脈衝頻率;因此可以根據該工序要求的進給速度,確定其PLC 輸出的脈衝頻率:f=Vf/60d (Hz) (2)式中 Vf——伺服機構的進給速度(mm/min)

　　3.3 進給方向控製

　　進給方向控製即步進電機的轉向控製。步進電機的轉向可以通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變其轉向;如三相步進電機通電順序為A-AB-B-BC-C-CA-A…時步進電機正轉;當繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A…順序通電時步進電機反轉。因此可以通過PLC 輸出的方向控製信號改變硬件環行分配器的輸出順序來實現，或經編程改變輸出脈衝的順序來改變步進電機繞組的通電順序實現。

　　4. PLC 的軟件控製邏輯

　　由滑台的PLC 控製方法可知，應使步進電機的輸入脈衝總數和脈衝頻率受到相應的控製。因此在控製軟件上設置一個脈衝總數和脈衝頻率可控的脈衝信號發生器;對於頻率較低的控製脈衝，可以利用PLC 中的定時器構成，如圖2 所示。

　　脈衝頻率可以通過定時器的定時常數控製脈衝周期，脈衝總數控製則可以設置一脈衝計數器C10。當脈衝數達到設定值時，計數器C10 動作切斷脈衝發生器回路，使其停止工作。伺服機構的步進電機無脈衝輸入時便停止運轉，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，可以用PLC 中的高速脈衝發生器。不同的PLC 其高速脈衝的頻率可達4000~6000Hz。對於自動線上的一般伺服機構，其速度可以得到充分滿足。

　　5. 伺服控製、驅動及接口

　　5.1 步進電機控製係統的組成

　　步進電機的控製係統由可編程控製器、環行脈衝分配器和步進電機功率驅動器組成，控製係統中PLC 用來產生控製脈衝;通過PLC 編程輸出一定數量的方波脈衝，控製步進電機的轉角進而控製伺服機構的進給量;同時通過編程控製脈

　　衝頻率——既伺服機構的進給速度;環行脈衝分配器將可編程控製器輸出的控製脈衝按步進電機的通電順序分配到相應的繞組。PLC 控製的步進電機可以采用軟件環行分配器，plc控製步進電機也可以采用如圖1 所示的硬件環行分配器。采用軟環占用的PLC

　　資源較多，特彆是步進電機繞組相數M>4 時，對於大型生產線應該予以充分考慮。采用硬件環行分配器，雖然硬件結構稍微複雜些，但可以節省占用PLC的I/O 口點數，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅動器將PLC

　　輸出的控製脈衝放大到幾十~上百伏特、幾安~十幾安的驅動能力。一般PLC 的輸出接口具有一定的驅動能力，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。但對於功率步進電機則要求幾十~上百伏特、幾安~十幾安的驅動能力，因此應該采用驅動器對輸出脈衝進行放大。

　　5.2 可編程控製器的接口

　　如伺服機構采用硬件環行分配器，則占用PLC 的I/O 口點數少於5 點，一般僅為3 點。其中I 口占用一點，作為啟動控製信號;O 口占用2 點，一點作為PLC 的脈衝輸出接口，接至伺服係統硬環的時鐘脈衝輸入端，另一點作為步進電

　　機轉向控製信號，接至硬環的相序分配控製端，如圖3 所示;伺服係統采用軟件環行分配器時，

　　6. 應用實例與結論

　　將PLC 控製的開環伺服機構用於某大型生產線的數控滑台，每個滑台僅占用4 個I/O 接口，節省了CNC 控製係統，其脈衝當量為0.01～0.05mm,進給速度為Vf=3~15m/min,完全滿足工藝要求和加工精度要求