6ES7214-1AD23-0XB8安裝調(diào)試

   步進電機位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應(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)中一種重要的自動化執(zhí)行元件。
    SCM(Single Chip Microcomputer，單片機)是把組成微型計算機的中央處理器、存儲器、輸入輸出接口電路、定時器／計數(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，成為工業(yè)控制的主角。
    PLC(Programmable Logic Controller，可編程序邏輯控制器)是以微型計算機為核心的一種工控機。其控制方案能事*行模擬調(diào)試，自身設(shè)計采用了冗余措施和容錯技術(shù)。由于PLC通用性強，編程操作方便，擴展靈活，可靠性高，應(yīng)用幾乎覆蓋各個工業(yè)領(lǐng)域。
    步進電機的電脈沖信號若由SCM產(chǎn)生，就構(gòu)成以SCM為核心的控制系統(tǒng)。若電脈沖信號由PLC產(chǎn)生，就構(gòu)成以PLC為核心的控制系統(tǒng)。
1 步進電機驅(qū)動方式
    反應(yīng)式步進電機頻率響應(yīng)快、可雙向旋轉(zhuǎn)、定位準確、起停速度快，因而使用多，具有代表性。三相反應(yīng)式步進電機定子有6個等間隔的磁極，線圈繞過相互正對的兩個磁極構(gòu)成一相，共有A—A、B—B和C—C三相。根據(jù)步進電機的工作原理，若按順序給步進電機的繞組施加有序的脈沖電流即可控制步進電機的轉(zhuǎn)動，從而進行數(shù)字到角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動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，對三相反應(yīng)式步進電機來說，若按A→B→C→A順序通電，則稱為單相三拍運行方式。若按A→AB→B→BC→C→C→A→A順序通電，則稱為三相六拍運行方式。若按AB→BC→CA→AB順序通電，則稱為雙相三拍運行方式。一般數(shù)字電路的信號能量遠遠不足以驅(qū)動步進電機，必須要有一個與之匹配的驅(qū)動電路來驅(qū)動步進電機。驅(qū)動電路不僅應(yīng)該包含由功率開關(guān)器件構(gòu)成的驅(qū)動主電路，還應(yīng)包含一個邏輯單元，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)器件的導通與關(guān)斷。典型的驅(qū)動電路主要有全電壓，恒流斬渡，升頻升壓等形式。
2 基于SCM的步進電機控制方法
    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)動脈沖功率放大級的達林頓復合管，再分別控制三相步進電機的A、B、C三相。根據(jù)P1口輸出控制信號的狀態(tài)，即可實現(xiàn)對步進電機的正反轉(zhuǎn)控制。
    步進電機工作在三相六拍時的控制字。從中可以看出，步進電機第一個控制字數(shù)據(jù)為01H，從上到下輸出控制字時，電機正轉(zhuǎn)，自下而上輸出控制字數(shù)據(jù)時，電機反轉(zhuǎn)。步進電機運行一拍的時間決定了步進電機的轉(zhuǎn)速。在輸出一個控制字后加入一定的延時時間，即可控制步進電機的轉(zhuǎn)速

    2.2 控制程序
    設(shè)SCM工作寄存器R3中存放了步進電機要走的步數(shù)，轉(zhuǎn)向標志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標志位F1(D5H)中，當F1為“0"時步進電機正轉(zhuǎn)，F(xiàn)1為“1"時步進電機反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)控制字存放在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器20H～25H中，26H中存放結(jié)束標志00H。在27H開始的存儲區(qū)存放反轉(zhuǎn)控制字，在2DH單元存放結(jié)束標志00H。SCM可以采用程序延時和定時器延時。下面利用定時器延時，以中斷方式輸出控制脈沖。
3 基于PLC的步進電機控制方法
 
    本文以O(shè)MRON的CQM1型機為例，分析通過PLC的軟件設(shè)計來實現(xiàn)步進電機的脈沖分配。
    由移位寄存器SFT(10)指令循環(huán)輸出實現(xiàn)脈沖分配，步進電機工作在三相六拍時的狀態(tài)由內(nèi)部輔助寄存器IR016的00～05繼電器控制，為實現(xiàn)循環(huán)控制，由第6位信號01605作為反饋信號接到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)部高速定時器通過編程實現(xiàn)，本設(shè)計中為方便起見。采用了內(nèi)部特殊繼電器SR25500。SFT的復位輸入端R接步進電機停止信號，該端為ON時，數(shù)據(jù)通道IR016的所有位置0，并且不接受數(shù)據(jù)輸入。
    IR016與步進電機通電繞組的對應(yīng)關(guān)系，在步進電機正轉(zhuǎn)時，當移位數(shù)據(jù)信號移到時。移位寄存器SFT01600的輸出應(yīng)接通步進電機的A相；移到第二位時，應(yīng)接通A相和B相；其余如此類推。以A相繞組為例，當輔助繼電器01600、01601、01605中任一個接通時(并聯(lián)關(guān)系)，A相通電。移位寄存器每一位的輸出信號先驅(qū)動與步進電機各相對應(yīng)的輸出繼電器，再由輸出繼電器通過功率放大器驅(qū)動步進電機。

工作過程簡單描述如下：由輸入端00000得電發(fā)出啟動信號，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01600的性。移位寄存器在移位脈沖的作用下順序左移，實現(xiàn)6位脈沖分配，由輸出繼電器10000、10001、10002分別去接通步進電機的A、B、C三相。步進電機轉(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。當輸入端00001無效時，KEEP(11)指令的置位端02600保證02603得電且保持該狀態(tài)，電機正轉(zhuǎn)；當00001為ON時，KEEP(11)指令的復位端02601使02603失電而恢復原狀態(tài)，電機反轉(zhuǎn)。

4 結(jié)束語
    比較步進電機的SCM和PLC的控制方法可知。SCM采用定時器延時，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現(xiàn)。SCM控制系統(tǒng)設(shè)計周期長，一般需要程序擴展，硬件方面需要經(jīng)過印刷電路板設(shè)計等過程；PLC控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，可在線修改控制程序，并實現(xiàn)實時監(jiān)控，因而設(shè)計周期短。PLC系統(tǒng)擴展靈活，可以在原有控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行功能擴展，能有效降低成本，適應(yīng)于復雜的工業(yè)控制環(huán)境。
    用SCM和PLC來實現(xiàn)步進電機控制脈沖的產(chǎn)生和分配，可以通過編程在一定范圍內(nèi)自由地設(shè)定步進電機的轉(zhuǎn)速，而且還可以靈活地控制步進電機的運行狀態(tài)。這兩種控制方式都不需要反饋就能對位置或速度進行控制，且位置誤差不會積累；用軟件編程代替硬件控制，不僅減少了系統(tǒng)設(shè)計的工作量，而且提高了控制系統(tǒng)的可靠性

 1  概  述

在組合機床自動線中，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。可編程控制器（簡稱PLC）以其通用性強、可靠性高、指令系統(tǒng)簡單、編程簡便易學、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，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制中。特別是在組合機床自動生產(chǎn)線的控制及CNC機床的S、T、M功能控制更顯示出其的性能。PLC控制的步進電機開環(huán)伺服機構(gòu)應(yīng)用于組合機床自動生產(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)

一般組合機床自動線中的數(shù)控滑臺采用步進電機驅(qū)動的開環(huán)伺服機構(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、步進電機驅(qū)動器、步進電機和伺服傳動機構(gòu)等部分組成，伺服傳動機構(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，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：

3.1  行程控制

一般液壓滑臺和機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）來實現(xiàn)；而數(shù)控滑臺的行程則采用數(shù)字控制來實現(xiàn)。由數(shù)控滑臺的結(jié)構(gòu)可知，滑臺的行程正比于步進電機的總轉(zhuǎn)角，因此只要控制步進電機的總轉(zhuǎn)角即可。由步進電機的工作原理和特性可知步進電機的總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的控制脈沖個數(shù)；因此可以根據(jù)伺服機構(gòu)的位移量確定PLC輸出的脈沖個數(shù)：

                      n= DL/d                      （1）

式中 DL——伺服機構(gòu)的位移量（mm）

d ——伺服機構(gòu)的脈沖當量（mm/脈沖）

3.2  進給速度控制

伺服機構(gòu)的進給速度取決于步進電機的轉(zhuǎn)速，而步進電機的轉(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——伺服機構(gòu)的進給速度(mm/min)

3.3  進給方向控制

進給方向控制即步進電機的轉(zhuǎn)向控制。步進電機的轉(zhuǎn)向可以通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向;如三相步進電機通電順序為A-AB-B-BC-C-CA-A…時步進電機正轉(zhuǎn);當繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A…順序通電時步進電機反轉(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現(xiàn)，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進電機繞組的通電順序?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)使步進電機的輸入脈沖總數(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中的定時器構(gòu)成，如圖2所示。脈沖頻率可以通過定時器的定時常數(shù)控制脈沖周期，脈沖總數(shù)控制則可以設(shè)置一脈沖計數(shù)器C10。當脈沖數(shù)達到設(shè)定值時，計數(shù)器C10動作切斷脈沖發(fā)生器回路，使其停止工作。伺服機構(gòu)的步進電機無脈沖輸入時便停止運轉(zhuǎn)，伺服執(zhí)行機構(gòu)定位。當伺服執(zhí)行機構(gòu)的位移速度要求較高時，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4000~6000Hz。對于自動線上的一般伺服機構(gòu)，其速度可以得到充分滿足。

5  伺服控制、驅(qū)動及接口

5.1  步進電機控制系統(tǒng)的組成

步進電機的控制系統(tǒng)由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器和步進電機功率驅(qū)動器組成，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，控制步進電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構(gòu)的進給量；同時通過編程控制脈沖頻率——既伺服機構(gòu)的進給速度；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電機的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。PLC控制的步進電機可以采用軟件環(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，特別是步進電機繞組相數(shù)M>4時，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)稍微復雜些，但可以節(jié)省占用PLC的I/O口點數(shù)，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅(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載能力僅為十幾~幾十伏特、幾十~幾百毫安。但對于功率步進電機則要求幾十~上百伏特、幾安~十幾安的驅(qū)動能力，因此應(yīng)該采用驅(qū)動器對輸出脈沖進行放大。

5.2  可編程控制器的接口

如伺服機構(gòu)采用硬件環(huán)行分配器，則占用PLC的I/O口點數(shù)少于5點，一般僅為3點。其中I口占用一點，作為啟動控制信號；O口占用2點，一點作為PLC的脈沖輸出接口，接至伺服系統(tǒng)硬環(huán)的時鐘脈沖輸入端，另一點作為步進電機轉(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，

6  應(yīng)用實例與結(jié)論

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