基于PLC和SCM步進(jìn)電機(jī)控制方法對(duì)比

0 引 言

步進(jìn)電機(jī)位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng)，精度高、響應(yīng)特性好、可靠性高、速度可在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，是控制系統(tǒng)中一種重要的自動(dòng)化執(zhí)行元件。

SCM(Single Chip Microcomputer，單片機(jī))是把組成微型計(jì)算機(jī)的中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器等制作在一塊集成電路芯片中，它具有小巧、低功耗、指令系統(tǒng)豐富等優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)控制的主角。

PLC(Programmable Logic Controller，可編程序邏輯控制器)是以微型計(jì)算機(jī)為核心的一種工控機(jī)。其控制方案能事先進(jìn)行模擬調(diào)試，自身設(shè)計(jì)采用了冗余措施和容錯(cuò)技術(shù)。由于PLC通用性強(qiáng)，編程操作方便，擴(kuò)展靈活，可靠性高，應(yīng)用幾乎覆蓋各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

步進(jìn)電機(jī)的電脈沖信號(hào)若由SCM產(chǎn)生，就構(gòu)成以SCM為核心的控制系統(tǒng)。若電脈沖信號(hào)由PLC產(chǎn)生，就構(gòu)成以PLC為核心的控制系統(tǒng)。

1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)頻率響應(yīng)快、可雙向旋轉(zhuǎn)、定位準(zhǔn)確、起停速度快，因而使用多，具有代表性。三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)定子有6個(gè)等間隔的磁極，線圈繞過相互正對(duì)的兩個(gè)磁極構(gòu)成一相，共有A—A、B—B和C—C三相。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，若按順序給步進(jìn)電機(jī)的繞組施加有序的脈沖電流即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而進(jìn)行數(shù)字到角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動(dòng)的方向則與脈沖的順序有關(guān)。

從一相通電轉(zhuǎn)到另一相通電稱為一拍，對(duì)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)來說，若按A→B→C→A順序通電，則稱為單相三拍運(yùn)行方式。若按A→AB→B→BC→C→C→A→A順序通電，則稱為三相六拍運(yùn)行方式。若按AB→BC→CA→AB順序通電，則稱為雙相三拍運(yùn)行方式。一般數(shù)字電路的信號(hào)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，必須要有一個(gè)與之匹配的驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電路不僅應(yīng)該包含由功率開關(guān)器件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)主電路，還應(yīng)包含一個(gè)邏輯單元，在輸入脈沖序列的作用下輸出定子繞組通電狀態(tài)，控制主電路功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷。典型的驅(qū)動(dòng)電路主要有全電壓，恒流斬渡，升頻升壓等形式。

2 基于SCM的步進(jìn)電機(jī)控制方法

2.1 控制原理

SCM的P1口作為輸出口，P1.0，P1.1，P1.2分別輸出控制脈沖，通過7406驅(qū)動(dòng)脈沖功率放大級(jí)的達(dá)林頓復(fù)合管，再分別控制三相步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相。根據(jù)P1口輸出控制信號(hào)的狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。

表1列出了步進(jìn)電機(jī)工作在三相六拍時(shí)的控制字。從中可以看出，步進(jìn)電機(jī)第一個(gè)控制字?jǐn)?shù)據(jù)為01H，從上到下輸出控制字時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，自下而上輸出控制字?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一拍的時(shí)間決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在輸出一個(gè)控制字后加入一定的延時(shí)時(shí)間，即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

表1 三相六拍步進(jìn)電機(jī)控制字

2.2 控制程序

設(shè)SCM工作寄存器R3中存放了步進(jìn)電機(jī)要走的步數(shù)，轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標(biāo)志位F1(D5H)中，當(dāng)F1為“0”時(shí)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，F(xiàn)1為“1”時(shí)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)控制字存放在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器20H～25H中，26H中存放結(jié)束標(biāo)志00H。在27H開始的存儲(chǔ)區(qū)存放反轉(zhuǎn)控制字，在2DH單元存放結(jié)束標(biāo)志00H。SCM可以采用程序延時(shí)和定時(shí)器延時(shí)。下面利用定時(shí)器延時(shí)，以中斷方式輸出控制脈沖。

3 基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制方法

本文以O(shè)MRON的CQM1型機(jī)為例，分析通過PLC的軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配。

由移位寄存器SFT(10)指令循環(huán)輸出實(shí)現(xiàn)脈沖分配，步進(jìn)電機(jī)工作在三相六拍時(shí)的狀態(tài)由內(nèi)部輔助寄存器IR016的00～05繼電器控制，為實(shí)現(xiàn)循環(huán)控制，由第6位信號(hào)01605作為反饋信號(hào)接到SFT的數(shù)據(jù)輸入端IN。SFT的移位脈沖輸入端CP可由PLC內(nèi)部高速定時(shí)器通過編程實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中為方便起見。采用了內(nèi)部特殊繼電器SR25500。SFT的復(fù)位輸入端R接步進(jìn)電機(jī)停止信號(hào)，該端為ON時(shí)，數(shù)據(jù)通道IR016的所有位置0，并且不接受數(shù)據(jù)輸入。

表2列出了IR016與步進(jìn)電機(jī)通電繞組的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)移位數(shù)據(jù)信號(hào)移到第一位時(shí)。移位寄存器SFT第一位01600的輸出應(yīng)接通步進(jìn)電機(jī)的A相；移到第二位時(shí)，應(yīng)接通A相和B相；其余如此類推。以A相繞組為例，由表2可知，當(dāng)輔助繼電器01600、01601、01605中任一個(gè)接通時(shí)(并聯(lián)關(guān)系)，A相通電。移位寄存器每一位的輸出信號(hào)先驅(qū)動(dòng)與步進(jìn)電機(jī)各相對(duì)應(yīng)的輸出繼電器，再由輸出繼電器通過功率放大器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

表2 IR016與電機(jī)通電繞組對(duì)應(yīng)關(guān)系

梯形圖控制程序如圖1所示。工作過程簡單描述如下：由輸入端00000得電發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，前沿微分指令DIFU(13)保證移位寄存器SFT(10)指令中移位數(shù)據(jù)初始信號(hào)01600的唯一性。移位寄存器在移位脈沖的作用下順序左移，實(shí)現(xiàn)6位脈沖分配，由輸出繼電器10000、10001、10002分別去接通步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速可由移位寄存器SFT的脈沖輸入端控制，轉(zhuǎn)向由繼電器02603控制。當(dāng)輸入端00001無效時(shí)，KEEP(11)指令的置位端02600保證02603得電且保持該狀態(tài)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)00001為ON時(shí)，KEEP(11)指令的復(fù)位端02601使02603失電而恢復(fù)原狀態(tài)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖1 梯形圖

4 結(jié)束語

比較步進(jìn)電機(jī)的SCM和PLC的控制方法可知。SCM采用定時(shí)器延時(shí)，以中斷方式輸出控制脈沖；PLC采用移位指令和內(nèi)部特殊繼電器，以循環(huán)順序掃描方式輸出控制脈沖。SCM采用匯編語言(或C語言)編程，其指令系統(tǒng)的同有格式受硬件結(jié)構(gòu)的限制很大，編寫和調(diào)試要求具備一定語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；而編寫PLC程序，即可以采用語句表(助記符)，又可以采用梯形圖，梯形圖簡單易懂，通過圖形編程器容易實(shí)現(xiàn)。SCM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期長，一般需要程序擴(kuò)展，硬件方面需要經(jīng)過印刷電路板設(shè)計(jì)等過程；PLC控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，可在線修改控制程序，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，因而設(shè)計(jì)周期短。PLC系統(tǒng)擴(kuò)展靈活，可以在原有控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)展，能有效降低成本，適應(yīng)于復(fù)雜的工業(yè)控制環(huán)境。

用SCM和PLC來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的產(chǎn)生和分配，可以通過編程在一定范圍內(nèi)自由地設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而且還可以靈活地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。這兩種控制方式都不需要反饋就能對(duì)位置或速度進(jìn)行控制，且位置誤差不會(huì)積累；用軟件編程代替硬件控制，不僅減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量，而且提高了控制系統(tǒng)的可靠性。