基于PLC的步進電機轉速控制裝置設計

馬仕麟 莫莉萍 李永杰 劉英杰

摘 要：本文介紹了一套PLC控制以步進電機驅動的兩軸系統，配合軸上的編碼器，實現步進電機速度的閉環控制，并且介紹了步進電機定位移動過程中的速度算法以及多段加速的頻率整定方法。

關鍵詞：步進電機；速度控制；PID；PLC

一、 設計背景

本文設計的步進電機轉速控制裝置是應用在一套灌裝、搬運的實訓裝置上。以步進電機為XY十字滑臺的驅動元件，連入光感、編碼器進行零位節位置反饋，通過精確控制步進電機帶動十字滑臺上機械手的移動速度，實現加減速時液體不潑灑，準確放到指定位置的控制目的。其中本文介紹的步進電機轉速控制是這套裝置中的關鍵部分。目前雖可通過S7 200 smart CPU中的運動控制功能控制步進電機加減速，但無法直接實現多段加減速并實時反饋速度。所以在本套裝置的每個軸上增加了編碼器，作為反饋信號源。學生通過這樣一個有反饋的閉環控制，實現步進電機的多段加速、減速控制，理解步進電機速度控制原理。

二、 系統組成

轉速控制裝置由XY十字滑臺作為機械部分，步進電機及驅動、編碼器、光感等元件作為電氣部分。PLC作為控制器，觸摸屏作為人機界面構成。系統結構框圖如圖1所示。觸摸屏發送倉位信息給PLC，PLC通過倉位信息計算出移動到指定倉位所需的位移（脈沖數），并由內部程序控制發出脈沖信號，觸發步進驅動，控制步進電機進行多段加減速。

（一） 十字滑臺

十字滑臺采用高精度絲桿配合滾珠式平面承重導軌，絲杠螺距為4mm。

（二） 步進電機及驅動

因負載及加速度并不是很大，故步進電機選用Kinco兩相步進電機2S42Q0240（02940），額定電流為0.4A，電阻為12.5Ω，電感為21±20%mH，轉矩為0.22Nm，步距角 1.8°。步進驅動器選用Kinco的2M412，兩相驅動，最大能提供1.2A的電流，細分后每轉脈沖數為400～51200。

（三） 編碼器

編碼器選用OMRON的E6B2CWZ6C旋轉編碼器，旋轉一周可輸出1000脈沖，PLC高速計數器口可以有效識別。通過編碼器反饋的脈沖，可將當前軸的旋轉速度反饋給PLC，通過程序計算，可在屏上顯示當前轉速及位置。

（四） PLC

本設備采用西門子S7200 SMART，CPU型號為ST40。帶有六個高速計數器輸入及三路脈沖輸出，足夠驅動十字滑臺的兩個軸及檢測兩軸的反饋信號。

三、 轉速控制算法

步進電機的速度控制通常參考階梯規律、直線規律及指數規律，其中指數控制可以保證步進電機加、減速的穩定性，但對于PLC控制而言過于困難。所以本裝置采用分段直線規律控制，并且將加速、減速過程設定為對稱的過程，以簡化PLC程序。

設置加、減速的時間為運動總時間t的14，每段加減速都經過n次頻率跳變（n越大則加減速越平緩），設此時步進驅動的細分數為X，每個脈沖滑臺移動Sp，步進頻率最高為fm，則有總位移表達式。

將步進電機在當前細分數下的Sp=螺距每轉脈沖數代入式1，可得到一個位移與時間的關系，如式2所示。

故滑臺移動到位時間t應如式3所示。

由時間t≥0，上述關于t的方程應有大于零的正根這一條件判斷，推導出最大頻率的取值應滿足fm≤50000XS（t2-1）n，可由當前細分數X求出步進電機脈沖的最高頻率fm，代回式3即可整定加減速時間的取值。

兩個軸可用同樣方法進行整定，整定好每段加速減速頻率后，與編碼器反饋當前軸的旋轉頻率進行比較，如有誤差則通過一路PID通道調整PTO包絡的當前頻率，達到閉環控制的目的。

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作者簡介：

馬仕麟，莫莉萍，李永杰，劉英杰，江蘇省常州市，常州機電職業技術學院。