基于PLC与步进电动机的运动小车自动控制

    本章主要介绍基于FX系列PLC与步进电动机的小车运动控制，以小车的自动往返控制和位置闭环控制两个实例，介绍PLC、步进电动机、位置检测光栅尺的综合应用。    一、运动小车装置介绍    运动小车装置如图13 - 32所示，由丝杠、运动托盘、光栅尺、步进电动机、多个位置检测传感器等组成。运动托盘由步进电动机通过丝杠传动。位置检测传感器可检测到运动托盘运动至该位置时检测到一个开关量信号。光栅尺用来对运动托盘进行位置的精确检测。    此外，要实现对该设备的控制，还需用到晶体管输出型的FX系列PLC，步进电动机驱动器等器件。
    图13 - 32    运动小车装置    二、运动控制与步进电动机    1．运动控制    (1)运动控制系统简介。运动控制系统是一门有关如何对物体位置和速度进行精密控制的技术，典型的运动控制系统由三部分组成：控制部分、驱动部分和执行部分。    其中，运动执行部件通常为步进电动机或伺服电动机。步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，其特点是没有积累误差，因而广泛用于各种开环控制。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定步长运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。    步进电动机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电动机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电动机。步进电动机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制步进电动机脉冲信号的频率，可以对电动机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电动机精确定位。因此典型的步进电动机驱动控制系统主要由三部分组成：    1)控制器：由单片机或PLC实现。    2)驱动器：把控制器输出的脉冲加以放大，以驱动步进电动机。    3)步进电动机。    (2)常用术语。    1)步进角：每输入一个电脉冲信号时转子转过的角度称为步进角。步进角的大小可直接影响电动机的运行精度。    2)整步：最基本的驱动方式，这种驱动方式的每个脉冲使电动机移动一个基本步矩角。例如，标准两相电动机的一圈共有200个步矩角，则整步驱动方式下，每个脉冲使电动机移动1.8°。    3)半步：在单相激磁时，电动机转轴停至整步位置上，驱动器收到下一个脉冲后，如给另一相激磁且保持原来相继续处在激磁状态，则电动机转轴将移动半个基本步矩角，停在相邻两个整步位置的中间。如此循环地对两相线圈进行单相然后两相激磁，步进电动机将以每个脉冲半个基本步矩角的方式转动。    4)细分：细分就是指电动机运行时的实际步矩角是基本步矩角的几分之一。如：驱动器工作在10细分状态时，其步矩角只为电动机固有步矩角的十分之一，也就是说，当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电动机转动1.8°，而用细分驱动器工作在10细分状态时，电动机只转动了0. 18°。细分功能完全是由驱动器靠精度控制电动机的相电流所产生的，与电动机无关。    5)保持转矩：是指步进电动机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电动机最重要的参数之一，通常步进电动机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电动机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持力矩就成为衡量步进电动机的最重要参数之一。如当人们说2N·m的步进电动机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N·m的步进电动机。    6)制动转矩：是指步进电动机在没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解。    7)启动矩频特性：在给定驱动的情况下，负载的转动惯量一定时，启动频率同负载转矩之间的关系称为启动矩频特性，又称牵人特性。    8)运行矩频特性：在负载的转动惯量不变时，运行频率同负载转矩之间的关系称为运行矩频特性，又称牵出特性。    9)空载启动频率：指步进电动机能够不失步启动的最高脉冲频率。    10)静态相电流：电动机不动时每相绕组允许通过的电流，即额定电流。    2．步进电动机    (1)步进电动机的选型。步进电动机的选型原则如下：    1)驱动器的电流。电流是判断驱动器能力大小的依据，是选择驱动器的重要指标之一，通常驱动器的最大额定电流要略大于电动机的额定电流，通常驱动器的电流有2.0、35、6. 0A和8.0A。    2)驱动器的供电电压。供电电压是判断驱动器升速能力的标志，常规电压供给有24V(DC)、40V (DC)、60V (DC)、80V (DC)、110V (AC)、220V (AC)等。    3)驱动器的细分。细分是控制精度的标志，通过增大细分能改善精度。步进电动机都有低频振荡的特点，如果电动机需要工作在低频共振区工作，细分驱动器是很好的选择。此外，细分和不细分相比，输出转矩对各种电动机都有不同程度的提升。    (2)步进电动机驱动器。    本系统中采用两相混合式步进电机驱动器YKA2404MC细分驱动器，其外形如图13 - 33所示。该步进电机驱动器的先进特点如下：
    图13 - 33    步进电动机驱动器    1)低噪声、平稳性极好，高性能、低价格；    2)设有12/8挡等角度恒力矩细分，最高200细分，使运转平滑，分辨率提高；    3)采用独特的控制电路，有效地降低了噪声，增加了转动平稳性；最高反应频率可达200kpps;    4)步进脉冲停止超过100ms时，线圈电流自动减半，减少了许多场合的电动机过热现象；    5)双极恒流斩波方式，使得相同的电动机可以输出更大的速度和功率；    6)光电隔离信号输入／输出；    7)驱动电流从0. 1～4. 0A/相连续可调；可以驱动任何4.0A相电流以下两相混合式步进电动机；    8)单电源输入，电压范围：DC 12～40V;出错保护，过热保护，过流、电压过低保护。    YKA2404MC是等角度恒力矩细分型高性能步进驱动器，驱动电压为DC 12～40V，采用单电源供电。适配电流在4.0A以下，外径42～86mm的各种型号的两相混合式步进电动机。该驱动器内部采用双极恒流斩波方式，使电动机噪声减小，电动机运行更平稳；驱动电源电压的增加使得电动机的高速性能和驱动能力大为提高；而步进脉冲停止超过100ms时，线圈电流自动减半，使驱动器的发热可减少50%，也使得电动机的发热减少。用户在脉冲频率不高的时候使用低速高细分，使步进电动机运转精度提高，最高可达200细分，振动减小，噪声降低。    (3)步进电动机驱动器的端子与接线。YKA2404MC步进电动机驱动器的指示灯和接线端子如图13 - 34所示。该步进电动机驱动器与控制部件之间的连接方法如图13-35所示，如把5V直流电源脉冲加至十端与PU端，即可把控制部件输出的脉冲信号送至步进电动机驱动器，步进电动机驱动器就按此脉冲的频率去控制步进电动机的转速。+端与DR端子用来控制步进电动机的转动方向，设该两端子未加上5V的直流电压，电动机转动方向为正转，则在两端子上加上5V的直流电压，则电动机转动方向变为反转。MF用来控制电动机制动停止。各端子的具体说明如表13 - 12所示。    (4)步进电动机驱动器的细分设定。YKA2404MC步进电动机驱动器共有6个细分设定开关，如图13 - 36所示。步进电动机驱动器的细分设定如表13-13所示。    (5)步进电动机驱动器使用注意事项。步进电动机驱动器使用注意事项如下：    1)不要将电源接反，输入电压不要超过DC 40V。    2)输入控制信号电平为5V，当高于5V时需要接限流电阻。    3)此型号驱动器采用特殊的控制电路，故必须使用六出线或者八出线电动机。
    图13 - 34    步进电动机驱动器的指示灯和接线端子
    图13 - 35    驱动器示意图    表13-12    端于说明

    图13-36    步进电动机驱动器细分设定开关    表13-13    步进电动机驱动器细分设定表
    4)驱动器温度超过70℃时停止工作，故障O．H指示灯亮，直到驱动器温度降到50℃，驱动器自动恢复工作。出现过热保护请加装散热器。    5)过流（电流过大或电压过小）时故障指示灯O．C灯亮，请检查电动机接线及其他短路故障或是否电压过低，若是电动机接线及其他短路故障，排除后需要重新上电恢复。    6)驱动器通电时绿色指示灯PWR亮。    7)过零点时，TM指示灯在脉冲输入时亮。    三、光栅尺    光栅尺是用来检测位移的元件，下面以型号为KA - 300的光栅尺为例介绍光栅尺的使用。该光栅尺输出信号为脉冲信号，通过PLC对该高速脉冲进行高速计数即可实现位移的检测。KA - 300光栅尺的七芯TTL信号端子输出图如图13 - 37所示，各芯的作用如表13 - 14所示。    KA - 300光栅尺在物理位置上有三个Z相脉冲输出点，相邻两点的距离为50mm，Z相每发出一个脉冲，A相或B相就发出2500个脉冲。可通过A相与B相的超前与滞后来分析物体运行的方向。通过PLC对A相或B相的脉冲计数就可以计算出物体所在的位置。A相、B相正交脉冲与Z相脉冲波形图如图13 - 38所示，在该图中，A相脉冲超前于B相脉冲。
    图13 - 37    七芯TTL信号输出端子
    图13 - 38    光栅尺输出脉冲波形图    表13 - 14    七芯TTL信号输出图
    光栅尺与PLC的连接如图13-39所示，其中蓝色线输出B相脉冲信号，绿色线输出A相脉冲信号，黄色线输出Z相脉冲信号，白色线为三相输出脉冲的公共端，黑色线与红色线接光栅尺的24V (DC)工作电源。把光栅尺输出的脉冲信号送到PLC的输入点。    【例13 -1】 光栅尺参数的调试。    若已知两个Z相脉冲输出点的物理距离为50mm，试通过程序调试出A、B相每输出一个脉冲对应的位移数量。    光栅尺与PLC按如图13 - 39所示进行连接。调试方法为PLC发出高速脉冲使小车运行，用高速计数器C251对A、B相正交脉冲计数，再把Z相脉冲作为一个高速计数器的复位信号，再调用中断，通过中断程序把C251的计数值传送至D1D0，D1D0中的数据即为小车运行50mm对应的A、B相正交脉冲的数量，根据此数值即可算出A、B相每输出一个脉冲对应的位移数量。    调试程序如图13 - 40所示。
    图13-39    光栅尺与PLC的连接图
    图13-40    光栅尺调试程序    四、基于PLC与步进电动机的小车自动往返控制    【例13 - 2】 步进电动机正反转控制。    用FX系列PLC控制步进电动机正转与反转。把步进电动机驱动器的D2设置为OFF，即PU为步进脉冲信号，DR为方向控制信号。如图13-41所示，PLC的Y000输出高速脉冲至步进电动机驱动器的PU端，YO01控制步进电动机反转。对应小车的运行各输出点分配如下：    正转启动：X000；    反转启动：X001；    停止：X002；    向左运行：Y000发脉冲，Y001为OFF;    向右运行：Y000发脉冲，Y001为ON；    停止，Y000停止发脉冲，Y001为OFF。    I/O接线图如图13 - 41。
    图13 - 41   I/O接线图    控制程序如图13 - 42所示。
    图13-42   步进电动机正反转控制程序    【例13 -3】 运动小车自动往返控制。    按下启动按钮后，要求小车开始向左运行，能自动往返运行。按下停止按钮或碰到极限保护开关时，小车自动停止。    I/O分配如表13 - 15示。设Y001为OFF时小车往左运行，为ON时小车往右运行，编写的PLC控制程序如图13 - 43所示。    表13 - 15    I/O分配表

    图13 - 43    小车自动往返控制程序    五、基于PLC与步进电动机的位置检测控制    利用光栅尺对小车的位置进行检测，可达到较高的控制精度。    【例13 -4】 基于PLC与步进电动机的位置检测控制。    用PLC控制小车自动往返控制，按下启动按钮时，小车开始往左运行，然后在左、右极限的范围内实现自动往返运行，如图13 - 44所示，设右侧返回检测开关处为坐标原点。
    图13 - 44    小车运行示意图    PLC的I/O分配与接线如图13-45所示。
    图13 - 45   I/O接线图    PLC程序如图13 - 46所示，用C2 51高数计数器对光栅尺输出的A/B相脉冲进行双相计数，则通过分析C251的当前值数据即可得小车当前运行所在的位置坐标。
    图13 - 46   PLC控制程序