前言

　　在機械加工時，數(shù)控系統(tǒng)的點位控制一般用在孑LJJD工機床(例如鉆孔、鉸孔、鏜孑L的數(shù)控機床)上，其特點是：機床移動部件能實現(xiàn)由一個位置到另一個位置的精確移動，即準確控制移動部件的終點位置，但并不考慮其運動軌跡，在移動過程中刀具不切削工件。

　　實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點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，但其價格卻很昂貴，而且許多功能對點位控制來說是多余的；二是采用單板機或單片機控制，這種方法除了要進行軟件開發(fā)外，還要設(shè)計硬件電路、接口電路、驅(qū)動電路，特別是要考慮工業(yè)現(xiàn)場中的抗干擾問題。

　　PLC是一種數(shù)字運算操作的控制裝置，專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計的一種工業(yè)控制計算機，具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小、采用面向用戶的指令、編程方便、是實現(xiàn)機電一體化的理想控制裝置。因此，用PLC來控制步進電機在實際的控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。PLC驅(qū)動步進電機實現(xiàn)點位控制，硬件電路設(shè)計簡單、方便、快捷，編程時只要熟悉PLC的指令即可。

1 步進電機控制原理

　　步進電機是一種將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的常用電氣執(zhí)行元件，具有步進數(shù)可控、運行平穩(wěn)、價格便宜等優(yōu)點。步進電機轉(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、負載大小及環(huán)境條件等影響。每一個脈沖信號可使步進電機旋轉(zhuǎn)一個固定的角度前進一步，這個角度即為步距角。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，方向信號決定了旋轉(zhuǎn)的方向。

　　步進電機的工作方式與電動機的結(jié)構(gòu)和種類密切相關(guān)，從結(jié)構(gòu)上看，步進電機分為三相、四相、五相等類型，常用的是三相步進電機。三相步進電機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，磁場旋轉(zhuǎn)1周，轉(zhuǎn)子移動1個齒距，各相的通電順序為：AB．B-BC．C．A。六拍工作方式時的電壓及電流波形。其中細線表示磁極繞組中的電流波形，可見磁極的驅(qū)動電壓是方波，而電流不是方波，這主要是由于步進電機的每相繞組存在一定的充電和放電時間。

　　常用的步進電機分為反應(yīng)式步進電機、永磁式步進電機、混合式步進電機和單相式步進電機等類型，不同的步進電機在控制方式上基本一樣。在實際應(yīng)用中，反應(yīng)式步進電機較常用。步進電機直接由數(shù)字信號控制，其基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制。步進電機換向。一定要在電機降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)時，以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機。換向信號一定要在前一個方向的最后一個脈沖結(jié)束后以及下一個方向的第1個脈沖前發(fā)出。在某一高速下的正、反向切換實質(zhì)包含了降速一換向一加速3個過程。

　　調(diào)整送給步進電機的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。用PLC實現(xiàn)步進電機的加減速控制，實際上就是控制發(fā)送脈沖的頻率。加速時，使脈沖頻率增高。減速時降低。

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

2 點位控制原理

　　通常一個定位命令要求主軸與零件移動到另一位置時，模塊先計算一個理論的時間速度圖。然后以這個時間速度圖控制軸，使之最后達到規(guī)定的位置。典型的時間速度圖是一個梯形，也就是說，軸先以用戶設(shè)定的加速度勻加速度運動，直至達到用戶設(shè)定速度y，然后勻速運動一定的時間，再以用戶設(shè)定的加速度做勻減速運動，直到速度變?yōu)?。速度達到0時，軸移動的距離正好是命令規(guī)定的值P。

　　根據(jù)這個時間速度圖，可以計算出相應(yīng)的時間位置圖。對于不帶旋轉(zhuǎn)編碼器的開環(huán)步進控制模塊，速度命令脈沖就以時間速度圖的值輸出，當(dāng)P個脈沖全部輸出以后停止輸出。

3 控制方案

　　PLC驅(qū)動步進電機實現(xiàn)點位控制，硬件電路設(shè)計簡單、方便、快捷，編程時只要熟悉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指令軟件編程實現(xiàn)對步進電機的定位／速度控制。

　　3.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計I／O接線，由于計算機和PLC等控制器發(fā)出的脈沖信號微弱，達不到能夠直接驅(qū)動步進電機的功率，所以，必須是PLC通過功率驅(qū)動器來控制步進電機。

　　根據(jù)這個時間速度圖，可以計算出相應(yīng)的時間位置圖。對于不帶旋轉(zhuǎn)編碼器的開環(huán)步進控制模塊，速度命令脈沖就以時間速度圖的值輸出，當(dāng)P個脈沖全部輸出以后停止輸出。

3 控制方案

　　PLC驅(qū)動步進電機實現(xiàn)點位控制，硬件電路設(shè)計簡單、方便、快捷，編程時只要熟悉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指令軟件編程實現(xiàn)對步進電機的定位／速度控制。

　　3.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計I／O接線，由于計算機和PLC等控制器發(fā)出的脈沖信號微弱，達不到能夠直接驅(qū)動步進電機的功率，所以，必須是PLC通過功率驅(qū)動器來控制步進電機。

　　3.2 PLC脈沖環(huán)形分配軟件的實現(xiàn)

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

　　(1)脈沖控制過程

　　脈沖控制是通過改變計數(shù)器CNT0001的設(shè)定值n，對脈沖輸入進行計數(shù)，并將計數(shù)器的常閉觸點串聯(lián)于移位寄存器SFT的CP端，當(dāng)按下步數(shù)控制開關(guān)0．04接通，開始計步數(shù)。當(dāng)走完預(yù)定步數(shù)。計數(shù)器CNT0001動作，其常閉觸點斷開，步進電機停止步進。

　　(2)環(huán)形脈沖的控制過程

　　步進電機采用單、雙拍運行方式，其脈沖分配器是

　　由可編程序控制器編程軟件來實現(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)動功率驅(qū)動器，再由功率驅(qū)動器驅(qū)動步進電機。

　　(3)正反轉(zhuǎn)控制

　　在正轉(zhuǎn)情況下。正反轉(zhuǎn)控制開關(guān)處于斷開位，0.02不動作，故由1223.00、1223.01驅(qū)動100．00、100.01，由1223．02驅(qū)動100.02。要實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，按下正反轉(zhuǎn)控制開關(guān)0.02動作，其常閉觸點斷開，常開觸點閉合，由1223.01驅(qū)動100.00、1223.00驅(qū)動100.01，仍由1223.02驅(qū)動100.02，這樣便實現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。按下停止開關(guān)0.05，步進電機停止步進。

　　3.3 加減速點位控制

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

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

　　通過PLS2可實現(xiàn)詳細的臺型控制，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，使其即刻停止。這種可變更定位(脈沖輸出)中的目標位置(脈沖量)。如動輸入1.04置于ON，則從脈沖輸出0輸出600，000脈沖，使電動機運行。

4 結(jié)束語

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