基于PLC 的步進電機正反轉控制

□蔣慶磊 吳慧君 聶永濤

一、引言

在機械加工行業(yè)中，對步進電機的正反轉控制是機械加工的一個重要的操作方面。在大型機械加工中，一般都是通過開關線路實現(xiàn)正反轉，這種控制方式最簡單，但是控制精度有限，所以在稍小的機械加工中采用精確控制電機正反轉，早期的精確控制方式一般是氣控調(diào)速，后來隨著科技進步，一種新型的正反轉控制裝置即電控正逐漸被廣泛地應用。

電控裝置是專門應用于對步進電機進行正反轉操作的各種機械加工，特別是需要頻繁操作的工序，尤其運用于小型精密機械加工中。電控裝置是機床配套的產(chǎn)品，從最初至今，電機控制一直采用手動開關，對比于手控，電控具有調(diào)速精度高、控制可靠等優(yōu)點。電控裝置是集機械、電氣和軟件為一體的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中采用電位傳感器，PLC 控制，步進電機執(zhí)行控制。由于電機能否正常正反轉是精密機械加工的必要條件，為了提高系統(tǒng)的可靠性，考慮到加工現(xiàn)場環(huán)境條件，利用步進電機接收數(shù)字脈沖的特性，實行開環(huán)控制，具有簡潔、可靠的優(yōu)點。

二、系統(tǒng)原理

圖1 系統(tǒng)原理圖

(一)開環(huán)控制方式。整個系統(tǒng)由控制程序、PLC 及驅動器件、步進電機、機械執(zhí)行機構組成。主機正、反轉控制指令由軟件GX 編寫控制程序，調(diào)試成功后，電位器的輸出電壓經(jīng)處理后送入PLC 中，發(fā)出控制指令給步進電機驅動器，驅動器驅動步進電機旋轉，并由機械執(zhí)行機構獲取步進電機的角位移，通過程序設定正反轉時間，實現(xiàn)電機的正反轉控制。

(二)步進電機及其驅動。步進電機是數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行電動機，由于它可以直接接收計算機來的數(shù)字脈沖信號，改變電脈沖的頻率大小和通電相序，就可控制步進電機的轉向。步進電機角位移與控制脈沖精確同步，在無需反饋控制而要求有準確位置的應用場合，是一種重要的機電執(zhí)行裝置。正因為步進電機的以上特點，在該系統(tǒng)中為了使控制更加簡單、可靠，采用2 相4 拍混合式步進電機進行開環(huán)控制，在實際使用中可進行細分驅動，使其運轉更加平穩(wěn)。步進電機驅動器只需接收來自步進驅動器的脈沖、轉向、使其能控制信號，通過電位器的旋轉控制發(fā)送的脈沖個數(shù)，可實現(xiàn)步進電機正反轉換向定位。

(三)機械執(zhí)行機構。該執(zhí)行機構中，通過絲桿螺母機構將步進電機的角位移轉換為螺母的直線位移，由滑動螺母帶動推拉軟軸直線運動，軟軸的另一端連接在主機油門上，由此實現(xiàn)主機正反轉控制。

(四)機械加工過程中經(jīng)常要求步進電機可以進行正反轉。由電動機的原理可知，只需改變其定子繞組的電源相序，就可以實現(xiàn)電動機的轉動方向改變。所以，借助兩個交流接觸器就能實現(xiàn)上述要求。在實際應用中，采用有互相聯(lián)鎖(互鎖)的兩個反方向的單向運行電路。

圖2 電機正反轉控制原理圖

該控制線路可以提高勞動生產(chǎn)效率，減少輔助時間，實現(xiàn)電動機的換向。控制線路如圖2(b)所示，啟動按鈕SB2、SB3 采用復合按鈕，可以實現(xiàn)當電動機換向時，用復合按鈕的常閉觸點來開斷轉向反向的接觸器線圈的通電。當按下SB2時，首先是SB2 按鈕的常閉觸點斷開，使KM2 線圈斷電，然后是SB2 的常開觸點閉合，使KM1 線圈通電，接觸器KM1 的常開觸點閉合，形成自鎖電路，電動機反向轉動，反之按下SB3正轉。該控制電路也稱為正-反-停電路控制。圖中，KM1、KM2 的常閉輔助觸頭構成電氣互鎖，SB2、SB3 的常閉觸點又構成了機械互鎖，因此該控制電路具有雙重互鎖，其工作可靠性高。

三、硬件組成

(一)控制原理設計。由于電機控制在機械加工中十分重要，執(zhí)行機構要求及時反映控制電位器的位置，且準確定位。在本系統(tǒng)中采用開環(huán)控制，步進電機的位置完全由程序發(fā)出的控制指令來確定，更要求控制程序運行可靠，轉動時間計算準確。考慮到開環(huán)控制，為此增加基準定位開關，當電位器回到零位時，執(zhí)行機構必須回到此開關處，重新定位，這樣也可以消除多次操作的累積誤差。

(二)PLC 選用和硬件配置。三菱FX2N48MR 型PLC 以靈活多變的系統(tǒng)配置、工作穩(wěn)定等優(yōu)點獲得了非常廣泛的應用。本系統(tǒng)選用三菱系列的CPU 作為主控單元，24 個輸入/輸出，具有高速脈沖輸出功能，EM235 模擬量輸入模塊是高速12 位模擬量輸入模塊。這些模塊可在149μs 之內(nèi)將模擬信號輸入轉換為其相應的數(shù)字值，可以實現(xiàn)信號轉換，可以驅動步進電機實現(xiàn)精確控制。EM235 模擬量模塊必須外接電源，本文中由PLC 向EM235 模擬量模塊提供+24V 工作電源。步進電機型56RYG250B，數(shù)字步進驅動選用SD20403。

通過對模擬量模塊連接端子的選擇，控制電機的模擬量是通過電位計(R2)送出0 ～10V 模擬信號到控制系統(tǒng)中，CPU 通過模擬量擴展模塊EM235 讀取該值，并分析與處理該值。和該模擬量有關的幾個基本數(shù)據(jù):對于EM235 和CPU222 的規(guī)定，每1mA 增量，數(shù)據(jù)為1600。驅動機構的絲杠產(chǎn)生1mm 距離，對應電流變化量為0.8mA。

四、控制系統(tǒng)設計

在FX2N 系列中，CPU 的輸出端YOO 能夠輸出方波信號。YOO 的輸出脈沖觸發(fā)步進電機驅動器，由電位計AIW0.0 控制輸出脈沖數(shù)，功率驅動器將控制脈沖按照某種模式轉換成步進電機線圈的電流，產(chǎn)生旋轉磁場，使得轉子只能按固定的步數(shù)來改變它的位置。當輸入端X00 發(fā)出“START”信號后，控制器將輸出固定數(shù)目的方波脈沖，使步進電機按對應的步數(shù)轉動，初始化復位，用接在輸入端X01 的開關來選擇轉動方向，將輸出Y01 置成高電位那么電機逆時針轉動。如果X01 =0，將輸出Y01 置成低電位，那么電機順時針轉動。為保護電機避免漏步，電機轉動方向的改變只能在電機處于停止狀態(tài)(M0.1 =0)時進行。當輸入端X01 發(fā)出信號后，輸出端Y01 的方向開關位置決定電機正轉或反轉。

五、結語

本文介紹了采用步進電機進行開環(huán)控制的主機電控正反轉系統(tǒng)，目前已成功應用于某機械加工工序中，在實際使用過程中運行良好，該系統(tǒng)運行可靠，精確控制，有著廣闊的應用前景。

［1］宋廣雷，張良.基于PLC 的步進電機主機調(diào)速控制［J］.制造業(yè)自動化，2012

［2］呂愛華.電氣控制與PLC 應用技術(三菱系列)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011