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基于PLC的步进电机在送经装置中的应用
近年来，人们更关注的是步进电机的变频特性。由于事物变化的不均匀性，定频技术越来越显示出它的局限性，而变频技术却能很好地适应各种随机变化的系统。本文就是介绍采用PLC控制的步进电机的变频特性，使其运用在纺织机的送经装置中。

    用可编程控制器（PLC）产生各种步进脉冲驱动步进电机去达到各种控制、测试目的己屡见不鲜了。步进电机由于具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，成了工控的主要执行元件之一，尤其是在**定位场合中得到了广泛的应用。但近年来，人们更关注的却是它的变频特性。由于事物变化的不均匀性，定频技术越来越显示出它的局限性，而变频技术却能很好地适应各种随机变化的系统。

    PLC对步进电机的控制

    PLC是广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越**。为了配合步进电机的控制，许多PLC都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行控制，图1是松下FP0-C16T晶体管输出型PLC的输出电路结构。

图1 PLC输出电路图

    FP0-C16T型PLC有两个脉冲输出端Y0和Y1端，随着控制方式的不同，有三种脉冲输出形式。

    (1) 这两个脉冲输出端可以用来作为两个不带加减速的单相脉冲输出端，主要使用PLS和SPD1指令进行控制，颠率范围为0Hz_10KHz，可以连续输出，也可以脉冲中形式输出，可以同时单独输出。

    (2) 可以作为两相可变占空比的连续脉冲输出端，主要使用PWM指令控制，占空比设置范围为0%_。频率设置范围0.1Hz_999.9Hz。

    (3) 可以作为带梯形加减速的两相脉冲输出，主要使用PULS和SPD1指令控制，频率变化范围0Hz_10KHz，加减速率10Hz／10ms_10KHz／10ms，可以连续输出，也可以脉冲串形式输出，这里又分为两种控制方式，一种是脉冲+方向控制(Y0、Y1输出脉冲，Y2、Y3输出方向)，一种是正反向脉冲输出(Y0输出CW脉冲，Y1输出CCW脉冲)。如果使用Y0、Y2分别进行脉冲、方向控制，控制系统如图2所示。如果使用Y0作为脉冲输出，可以通过如图3所示的方法实现两相脉冲输出。

图2 脉冲、方向输出图

图3 双脉冲输出图

    PLC控制步进电机在送经装置上的应用

    采用PLC控制的步进电机的变频特性运用在纺织机的送经装置中很好地解决了经纱内部张力不均匀的问题，使产品的质量产生了质的飞跃。

    (1) 经纱张力信号检测

    本装置是通过检测后梁的摆动是否超出范围来检测经纱张力的波动是否满足要求，不满足要求时就控制送经装置予以调整。如图4，当经纱2的张力发生波动时，活动后梁4带动张力感应杆5绕点O摆动。当检测片6进入接近开关7的有效作用区时，接近开关7就发出一高电平信号。以PLC为核心的控制器根据这一信号和主轴位置信号，启动步进电机13，驱动织轴送出经纱。接近开关7’是极限张力检测开关。当经纱张力过大或过小时，检测片6将遮挡接近开关7’，7’输出的高电平信号到控制器后，控制器就会关掉织机，以便进行人工处理。主轴位置的检测是为了控制送经运动的允许时间，以避开打纬，保证纬纱能被打紧。主轴位置的检测同样采用的是接近开关非接触式检测。

图4 送经装置结构图

    (2) 织轴驱动系统

    织轴驱动系统由步进电机驱动器、步进电机、蜗轮减速器和织轴四部份组成。它的作用原理是：控制系统送来的信号经驱动放大处理后，驱动步进电机转动，然后经过减速器减速，再传动织轴，放出经纱。

    对于织机送经机构，其负载特点是：当步进电机正转送出经纱时，经纱张力不是负载阻力，而是驱动力。因此步进电机只需输出较小力矩，克服蜗杆蜗轮自锁性，织轴即可回转经。此时步进电机转速可能较高(由纬密定)；当步进电机反转张紧经纱时，经纱张力是负载阻力，步进电机需输出较大的驱动转矩，而此时步进电机转速要求较低，步进电机的输出矩频特性(如图5虚线所示)正好与其相适应。因此、步进电机非常适合于这类伺服机构低转速大转矩、高转速小转矩和高精度的要求，是织机送经机构理想的驱动元件。

图5 织机送经装置负载转矩图

    送经装置采用的是2相56系列步进电机DM5676A。它的技术指标如下：步距角：1.8_；相电流：2.0A；保持转矩：1.35Nm；静转矩：0.07Nm；转动惯量：4.6*10-5Kgm2。反应式步进电机具有结构简单，经久耐用，力矩－惯性比高、步进频率高、响应快、步距角小等优点，是目前国内外应用多的一种步进电机。

    由于步进电机调速方便、调速范围宽，所以步进电机送经装置不用变换齿轮也能满足纬密2_120根/cm。电子送经装置则不能做到这一点，在此纬密范围内至少需要三档变换齿轮。步进电机送经装置的技术指标如下：

    结 语

    实验效果表明，本文研制的步进电机送经装置性能良好，工作可靠。配上多种功能的人机界面后可以实现织轴收放经纱的可视化操作，改变纬密的键盘输入，防止开车横挡，出现异常情况时自动关车报警等功能

　本文介绍了一种新型步进电机控制驱动器。该驱动器充分利用了单片机软件控制灵活和PLC 的ΔC门控制方便的主要特点,将传统的PLC 步进电机控制模块与驱动电源合二为一,是一种新型的运动控制产品。

关键词
　
　　步进电机　可编程序控制器(PLC) 　控制驱动器

　　传统上,在用PLC 控制步进电机时,通常在PLC中附加一块专用的步进电机控制智能模块,再与驱动电源相连接实现控制功能。在市场上,一片PLC的价格在2000 元左右,而一块控制智能模块也值2000 元,再加上驱动电源在1500 到2500 元左右,在一些小型控制中显得成本过高。本文介绍的一种控制驱动器产品,采用单片机内置式控制软件,接收PLC 的OC 门信息,将步进电机控制模块与驱动电源合二为一,省去了步进电机控制智能模块,使成本大为降低。该驱动器适用于各种二相、小于3A 的步进电机。

一、系统硬件

　　本系统采用软件环分驱动,大量工作由软件完成。硬件电路十分简单。如图1 所示。

控制驱动器线路简图

 

图2 所示,同PLC 配合闭环控制步进电机,是该驱动器的一种典型应用。
　　
二、系统工作原理

　　众所周知,普通的PLC 可编程控制器,输入为OC 门或继电器,很少有高速脉冲输出口,但一般有脉冲计数输入接口。我们利用这一特征点,通过以下配置可方便的完成机械运动的过程或位置控制。
在机械运动机构上安装过程控制使用的长光栅,并在运动机构一端设定限位开关为机械原点(可用光电、霍尔元件) ,远离限位开关为步进电机运行的正方向。当步进电机通电后,首先向机械原点运行,当碰到限位开关时, PLC 内部的计数器自动清零。如我们要进行机械运动的过程控制,通过光栅与步进电机带动的机械部件相连,确定步进电机与
光栅的脉冲当量值之后,即可在PLC 可编程控制器上编程实现高速高效的过程控制了。例如:步进电机的脉冲当量为01001mm ,与之配合的光栅反馈脉冲也选配输出每个脉冲为01001mm ,这样步进电机每走一步,光栅反馈一次信号到PLC 内,计数器则加(或减) 一。

　　由于该步进电机控制驱动器有7 种速度可选,在不同的运动情况下选不同的速度,当运行到确定的位置后,停止步进电机即可。同时,控制驱动器内还自带升降频控制、整步/ 细分切换等功能,所以PLC 的控制使用十分方便。

三、系统软件

　　该系统的核心是单片机软件部分。
　　软件由以下几个主要模块组成。如图3 所示。
　　初始化模块:清理程序中所需的标志位,判断是否需要启动电机并复位电机。
　　输入模块:CPU 接收来自INT1 到INT4 的电平信号。其中INT1 到INT3 的各种不同组合用以选择7 种常用频率来驱动电机,参见表1。INT4 决定运动方向(1 表示正转,0 表示反转) 。

　　升降频模块:此模块包括升降频数据表和查询数据表并给计数器T0 赋值两个子模块。它保证在两种频率之间切换时平稳圆滑过渡且不失步。程序在升降频过程中,涉及到“优化升降频曲线”如图4 所示,这条曲线的方程由电机参数决定。详细说明查阅其他资料。在处理这条曲线时,由时间t 每递增△t 所对应的频率f 构成一张表,并对应
　　生成一页MCS - 51 汇编语言数据表(计时器T0 的初值) ,以查询数据表的方式来拟合这条曲线,实现优化升降频过程。

　　整步/ 细分切换模块:程序确定将七种常用频率以细分形式驱动电机,以满足电机处以不同工作状态时的不同需要;并将高频率设置成以整步驱动电机,使电机能高速空走。本模块负责完成从整步到细分、从细分到整步的切换。
　　输出模块:此模块包括脉冲环分和环分脉冲输出(T0 中断完成) 两个子模块。本系统按二相二十拍编写程序。改变此模块可以广泛适用于二相各拍步进电机。

四、总结

　　同传统驱动器相比,该控制驱动器以软件代替硬件步进电机控制器和硬件脉冲环分电路,结构简单,成本节约。采用闭环控制,根据位置传感器的不同种类和精度,可广泛适用于坐标测量仪、比长仪等各种不同精度的精密仪器和机床设备。