前言

　　在機(jī)械加工時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)的點(diǎn)位控制一般用在孑LJJD工機(jī)床(例如鉆孔、鉸孔、鏜孑L的數(shù)控機(jī)床)上，其特點(diǎn)是：機(jī)床移動(dòng)部件能實(shí)現(xiàn)由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確移動(dòng)，即準(zhǔn)確控制移動(dòng)部件的終點(diǎn)位置，但并不考慮其運(yùn)動(dòng)軌跡，在移動(dòng)過(guò)程中刀具不切削工件。

　　實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制的方法可以有兩種：一是采用全功能的數(shù)控裝置，這種裝置功能十分完善，但其價(jià)格卻很昂貴，而且許多功能對(duì)點(diǎn)位控制來(lái)說(shuō)是多余的；二是采用單板機(jī)或單片機(jī)控制，這種方法除了要進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)外，還要設(shè)計(jì)硬件電路、接口電路、驅(qū)動(dòng)電路，特別是要考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的抗干擾問(wèn)題。

　　PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的控制裝置，專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性極高、體積小、采用面向用戶的指令、編程方便、是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制裝置。因此，用PLC來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)在實(shí)際的控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便、快捷，編程時(shí)只要熟悉PLC的指令即可。

1 步進(jìn)電機(jī)控制原理

　　步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)變換成角位移或直線位移的常用電氣執(zhí)行元件，具有步進(jìn)數(shù)可控、運(yùn)行平穩(wěn)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位移與脈沖數(shù)成正比，因而其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，而不受電源電壓、負(fù)載大小及環(huán)境條件等影響。每一個(gè)脈沖信號(hào)可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度前進(jìn)一步，這個(gè)角度即為步距角。脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率決定了旋轉(zhuǎn)的速度，方向信號(hào)決定了旋轉(zhuǎn)的方向。

　　步進(jìn)電機(jī)的工作方式與電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和種類密切相關(guān)，從結(jié)構(gòu)上看，步進(jìn)電機(jī)分為三相、四相、五相等類型，常用的是三相步進(jìn)電機(jī)。三相步進(jìn)電機(jī)的工作方式有三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種。系統(tǒng)采用三相六拍工作方式，在=三相六拍工作方式中，控制電流切換6次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)1周，轉(zhuǎn)子移動(dòng)1個(gè)齒距，各相的通電順序?yàn)椋篈B．B-BC．C．A。六拍工作方式時(shí)的電壓及電流波形。其中細(xì)線表示磁極繞組中的電流波形，可見(jiàn)磁極的驅(qū)動(dòng)電壓是方波，而電流不是方波，這主要是由于步進(jìn)電機(jī)的每相繞組存在一定的充電和放電時(shí)間。

　　常用的步進(jìn)電機(jī)分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和單相式步進(jìn)電機(jī)等類型，不同的步進(jìn)電機(jī)在控制方式上基本一樣。在實(shí)際應(yīng)用中，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)較常用。步進(jìn)電機(jī)直接由數(shù)字信號(hào)控制，其基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制。步進(jìn)電機(jī)換向。一定要在電機(jī)降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)時(shí)，以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè)脈沖結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第1個(gè)脈沖前發(fā)出。在某一高速下的正、反向切換實(shí)質(zhì)包含了降速一換向一加速3個(gè)過(guò)程。

　　調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。用PLC實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加減速控制，實(shí)際上就是控制發(fā)送脈沖的頻率。加速時(shí)，使脈沖頻率增高。減速時(shí)降低。

　　理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線，步進(jìn)電機(jī)整個(gè)降速過(guò)程的頻率變化規(guī)律是整個(gè)加速過(guò)程頻率變化規(guī)律的逆過(guò)程。若選定的曲線比較符合步進(jìn)電機(jī)升降過(guò)程的運(yùn)行規(guī)律，則能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)性好，縮短了升降速的時(shí)間，并可防止失步和過(guò)沖現(xiàn)象。

2 點(diǎn)位控制原理

　　通常一個(gè)定位命令要求主軸與零件移動(dòng)到另一位置時(shí)，模塊先計(jì)算一個(gè)理論的時(shí)間速度圖。然后以這個(gè)時(shí)間速度圖控制軸，使之最后達(dá)到規(guī)定的位置。典型的時(shí)間速度圖是一個(gè)梯形，也就是說(shuō)，軸先以用戶設(shè)定的加速度勻加速度運(yùn)動(dòng)，直至達(dá)到用戶設(shè)定速度y，然后勻速運(yùn)動(dòng)一定的時(shí)間，再以用戶設(shè)定的加速度做勻減速運(yùn)動(dòng)，直到速度變?yōu)?。速度達(dá)到0時(shí)，軸移動(dòng)的距離正好是命令規(guī)定的值P。

　　根據(jù)這個(gè)時(shí)間速度圖，可以計(jì)算出相應(yīng)的時(shí)間位置圖。對(duì)于不帶旋轉(zhuǎn)編碼器的開(kāi)環(huán)步進(jìn)控制模塊，速度命令脈沖就以時(shí)間速度圖的值輸出，當(dāng)P個(gè)脈沖全部輸出以后停止輸出。

3 控制方案

　　PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便、快捷，編程時(shí)只要熟悉PLC的指令即可。下面以O(shè)MRON公司CPIH．X40D型PLC為例，分析如何利用PLC指令軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的定位／速度控制。

　　3.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)I／O接線，由于計(jì)算機(jī)和PLC等控制器發(fā)出的脈沖信號(hào)微弱，達(dá)不到能夠直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的功率，所以，必須是PLC通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)。

　　根據(jù)這個(gè)時(shí)間速度圖，可以計(jì)算出相應(yīng)的時(shí)間位置圖。對(duì)于不帶旋轉(zhuǎn)編碼器的開(kāi)環(huán)步進(jìn)控制模塊，速度命令脈沖就以時(shí)間速度圖的值輸出，當(dāng)P個(gè)脈沖全部輸出以后停止輸出。

3 控制方案

　　PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便、快捷，編程時(shí)只要熟悉PLC的指令即可。下面以O(shè)MRON公司CPIH．X40D型PLC為例，分析如何利用PLC指令軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的定位／速度控制。

　　3.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)I／O接線，由于計(jì)算機(jī)和PLC等控制器發(fā)出的脈沖信號(hào)微弱，達(dá)不到能夠直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的功率，所以，必須是PLC通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)。

　　3.2 PLC脈沖環(huán)形分配軟件的實(shí)現(xiàn)

　　用軟件代替硬件實(shí)現(xiàn)脈沖的環(huán)形分配，是PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。用OMRON公司CPIH—X40D型的PLC說(shuō)明軟件實(shí)現(xiàn)脈沖環(huán)形分配的原理，該程序已成功編譯并下載運(yùn)行，使步進(jìn)電機(jī)按照三相六拍方式工作。

　　(1)脈沖控制過(guò)程

　　脈沖控制是通過(guò)改變計(jì)數(shù)器CNT0001的設(shè)定值n，對(duì)脈沖輸入進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)器的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)于移位寄存器SFT的CP端，當(dāng)按下步數(shù)控制開(kāi)關(guān)0．04接通，開(kāi)始計(jì)步數(shù)。當(dāng)走完預(yù)定步數(shù)。計(jì)數(shù)器CNT0001動(dòng)作，其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，步進(jìn)電機(jī)停止步進(jìn)。

　　(2)環(huán)形脈沖的控制過(guò)程

　　步進(jìn)電機(jī)采用單、雙拍運(yùn)行方式，其脈沖分配器是

　　由可編程序控制器編程軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。由內(nèi)部輔助繼電器1222控制移位指令SFT的CP端，產(chǎn)生所需的脈沖頻率，由1221通道的006位控制內(nèi)部輔助繼電器1223.001223.02，產(chǎn)生六拍時(shí)序環(huán)形脈沖。其接通順序是1223.00(相位于A相1223.00、1223.01(A、B相)1223.0l(B相)1223.01、1223.02(B、C相)1223.02(C相)1223.02、1223.00(C、A相)1223.00(A相)...。最后由1223.001223.02控制輸出繼電器100.00100.02，100.00100.02按照三相六拍通電方式接通驅(qū)動(dòng)功率驅(qū)動(dòng)器，再由功率驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

　　(3)正反轉(zhuǎn)控制

　　在正轉(zhuǎn)情況下。正反轉(zhuǎn)控制開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)位，0.02不動(dòng)作，故由1223.00、1223.01驅(qū)動(dòng)100．00、100.01，由1223．02驅(qū)動(dòng)100.02。要實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，按下正反轉(zhuǎn)控制開(kāi)關(guān)0.02動(dòng)作，其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，由1223.01驅(qū)動(dòng)100.00、1223.00驅(qū)動(dòng)100.01，仍由1223.02驅(qū)動(dòng)100.02，這樣便實(shí)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。按下停止開(kāi)關(guān)0.05，步進(jìn)電機(jī)停止步進(jìn)。

　　3.3 加減速點(diǎn)位控制

　　OMRON公司CPIHX40D型PLC具有脈沖輸出功能，可在梯形圖程序內(nèi)通過(guò)執(zhí)行專用的脈沖控制指令實(shí)現(xiàn)位置控制及速度控制。

　　如定位PLS2(887)指令，指定脈沖輸出量、目標(biāo)頻率、加速比率、減速比率，進(jìn)行脈沖輸出。通過(guò)在脈沖輸出中執(zhí)行本指令，可變更脈沖輸出量、目標(biāo)頻率、加速比率、減速比率。

　　通過(guò)PLS2可實(shí)現(xiàn)詳細(xì)的臺(tái)型控制，按照一定的比率使頻率加速，按照一定的比率使頻率減速。輸出指定的脈沖量時(shí)，使其即刻停止。這種可變更定位(脈沖輸出)中的目標(biāo)位置(脈沖量)。如動(dòng)輸入1.04置于ON，則從脈沖輸出0輸出600，000脈沖，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　利用可編程控制器可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度和位置進(jìn)行控制，可靠地實(shí)現(xiàn)各種步進(jìn)電機(jī)的操作，完成各種復(fù)雜的工作。它是一種先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，可廣泛地在造紙、食品、包裝以及其他輕工機(jī)械中得到應(yīng)用。用PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制在數(shù)控機(jī)床改造中也是一種經(jīng)濟(jì)、有效的方法。