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用PLC實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的直接控制

發(fā)布時(shí)間:2022-10-31 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】步進(jìn)電機(jī)的可編程控制器直接控制,可使組合機(jī)床自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的成本顯著下降。文章介紹了用PLC控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的數(shù)控滑臺方法,伺服控制、驅(qū)動及接口以及步進(jìn)電機(jī)PLC控制的軟件邏輯。


步進(jìn)電機(jī)的可編程控制器直接控制,可使組合機(jī)床自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的成本顯著下降。文章介紹了用PLC控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的數(shù)控滑臺方法,伺服控制、驅(qū)動及接口以及步進(jìn)電機(jī)PLC控制的軟件邏輯。


1 概述


在組合機(jī)床自動線中,一般根據(jù)不同的加工精度要求設(shè)置三種滑臺(1)液壓滑臺,用于切削量大,加工精度要求較低的粗加工工序中;(2)機(jī)械滑臺,用于切削量中等,具有一定加工精度要求的半精加工工序中;(3)數(shù)控滑臺,用于切削量小,加工精度要求很高的精加工工序中??删幊炭刂破鳎ê喎QPLC)以其通用性強(qiáng)、可靠性高、指令系統(tǒng)簡單、編程簡便易學(xué)、易于掌握、體積小、維修工作少、現(xiàn)場接口安裝方便等一系列優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制中。特別是在組合機(jī)床自動生產(chǎn)線的控制及CNC機(jī)床的S、T、M功能控制更顯示出其卓越的性能。PLC控制的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)應(yīng)用于組合機(jī)床自動生產(chǎn)線上的數(shù)控滑臺控制,可省去該單元的數(shù)控系統(tǒng)使該單元的控制系統(tǒng)成本降低70~90%,甚至只占用自動線控制單元PLC的3~5個(gè)I/O接口及<1KB的內(nèi)存。特別是大型自動線中可以使控制系統(tǒng)的成本顯著下降。


2 PLC控制的數(shù)控滑臺結(jié)構(gòu)


一般組合機(jī)床自動線中的數(shù)控滑臺采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)。采用PLC控制的數(shù)控滑臺由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)和伺服傳動機(jī)構(gòu)等部分組成,見圖1。


用PLC實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的直接控制

圖1


伺服傳動機(jī)構(gòu)中的齒輪Z1、Z2應(yīng)該采取消隙措施,避免產(chǎn)生反向死區(qū)或使加工精度下降;而絲杠傳動副則應(yīng)該根據(jù)該單元的加工精度要求,確定是否選用滾珠絲杠副。采用滾珠絲杠副,具有傳動效率高、系統(tǒng)剛度好、傳動精度高、使用壽命長的優(yōu)點(diǎn),但成本較高且不能自鎖。


3 數(shù)控滑臺的PLC控制方法


數(shù)控滑臺的控制因素主要有三個(gè):


3.1 行程控制


一般液壓滑臺和機(jī)械滑臺的行程控制是利用位置或壓力傳感器(行程開關(guān)/死擋鐵)來實(shí)現(xiàn);而數(shù)控滑臺的行程則采用數(shù)字控制來實(shí)現(xiàn)。由數(shù)控滑臺的結(jié)構(gòu)可知,滑臺的行程正比于步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角,因此只要控制步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角即可。由步進(jìn)電機(jī)的工作原理和特性可知步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的控制脈沖個(gè)數(shù);因此可以根據(jù)伺服機(jī)構(gòu)的位移量確定PLC輸出的脈沖個(gè)數(shù):


n= DL/d  (1)


式中 DL——伺服機(jī)構(gòu)的位移量(mm),d ——伺服機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量(mm/脈沖)


3.2  進(jìn)給速度控制


伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度取決于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率;因此可以根據(jù)該工序要求的進(jìn)給速度,確定其PLC輸出的脈沖頻率:


f=Vf/60d   (Hz)  (2)


式中 Vf——伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度(mm/min)


3.3  進(jìn)給方向控制


進(jìn)給方向控制即步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向可以通過改變步進(jìn)電機(jī)各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向;如三相步進(jìn)電機(jī)通電順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CA-A…時(shí)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A…順序通電時(shí)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。因此可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序來實(shí)現(xiàn),或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進(jìn)電機(jī)繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)。


4 PLC的軟件控制邏輯


由滑臺的PLC控制方法可知,應(yīng)使步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖總數(shù)和脈沖頻率受到相應(yīng)的控制。因此在控制軟件上設(shè)置一個(gè)脈沖總數(shù)和脈沖頻率可控的脈沖信號發(fā)生器;對于頻率較低的控制脈沖,可以利用PLC中的定時(shí)器構(gòu)成,如圖2所示。脈沖頻率可以通過定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)控制脈沖周期,脈沖總數(shù)控制則可以設(shè)置一脈沖計(jì)數(shù)器C10。當(dāng)脈沖數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí),計(jì)數(shù)器C10動作切斷脈沖發(fā)生器回路,使其停止工作。伺服機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)無脈沖輸入時(shí)便停止運(yùn)轉(zhuǎn),伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位。當(dāng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移速度要求較高時(shí),可以用PLC中的高速脈沖發(fā)生器。不同的PLC其高速脈沖的頻率可達(dá)4000~6000Hz。對于自動線上的一般伺服機(jī)構(gòu),其速度可以得到充分滿足。


用PLC實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的直接控制


5 伺服控制、驅(qū)動及接口


5.1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成


步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器和步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動器組成,其結(jié)構(gòu)見圖1。


控制系統(tǒng)中PLC用來產(chǎn)生控制脈沖;通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖,控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量;同時(shí)通過編程控制脈沖頻率——既伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度;環(huán)行脈沖分配器將可編程控制器輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。PLC控制的步進(jìn)電機(jī)可以采用軟件環(huán)行分配器,也可以采用如圖1所示的硬件環(huán)行分配器。采用軟環(huán)占用的PLC資源較多,特別是步進(jìn)電機(jī)繞組相數(shù)M>4時(shí),對于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以充分考慮。采用硬件環(huán)行分配器,雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些,但可以節(jié)省占用PLC的I/O口點(diǎn)數(shù),目前市場有多種專用芯片可以選用。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動器將PLC輸出的控制脈沖放大到幾十~上百伏特、幾安~十幾安的驅(qū)動能力。一般PLC的輸出接口具有一定的驅(qū)動能力,而通常的晶體管直流輸出接口的負(fù)載能力僅為十幾~幾十伏特、幾十~幾百毫安。但對于功率步進(jìn)電機(jī)則要求幾十~上百伏特、幾安~十幾安的驅(qū)動能力,因此應(yīng)該采用驅(qū)動器對輸出脈沖進(jìn)行放大。


5.2 可編程控制器的接口


如伺服機(jī)構(gòu)采用硬件環(huán)行分配器,則占用PLC的I/O口點(diǎn)數(shù)少于5點(diǎn),一般僅為3點(diǎn)。其中I口占用一點(diǎn),作為啟動控制信號;O口占用2點(diǎn),一點(diǎn)作為PLC的脈沖輸出接口,接至伺服系統(tǒng)硬環(huán)的時(shí)鐘脈沖輸入端,另一點(diǎn)作為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向控制信號,接至硬環(huán)的相序分配控制端,如圖3所示;伺服系統(tǒng)采用軟件環(huán)行分配器時(shí),其接口如圖4。


用PLC實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的直接控制


6 應(yīng)用實(shí)例與結(jié)論


將PLC控制的開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)用于某大型生產(chǎn)線的數(shù)控滑臺,每個(gè)滑臺僅占用4個(gè)I/O接口,節(jié)省了CNC控制系統(tǒng),其脈沖當(dāng)量為0.01~0.05mm,進(jìn)給速度為Vf=3~15m/min,完全滿足工藝要求和加工精度要求。


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