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6ES7214-1AD23-0XB8安裝調(diào)試
6ES7214-1AD23-0XB8安裝調(diào)試
步進(jìn)電機(jī)位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)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(dòng)化執(zhí)行元件。
SCM(Single Chip Microcomputer，單片機(jī))是把組成微型計(jì)算機(jī)的中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路、定時(shí)器／計(jì)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(diǎn)，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(jì)算機(jī)為核心的一種工控機(jī)。其控制方案能事*行模擬調(diào)試，自身設(shè)計(jì)采用了冗余措施和容錯(cuò)技術(shù)。由于PLC通用性強(qiáng)，編程操作方便，擴(kuò)展靈活，可靠性高，應(yīng)用幾乎覆蓋各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。
步進(jìn)電機(jī)的電脈沖信號(hào)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(hào)由PLC產(chǎn)生，就構(gòu)成以PLC為核心的控制系統(tǒng)。
1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式
反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)頻率響應(yīng)快、可雙向旋轉(zhuǎn)、定位準(zhǔn)確、起停速度快，因而使用多，具有代表性。三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)定子有6個(gè)等間隔的磁極，線(xiàn)圈繞過(guò)相互正對(duì)的兩個(gè)磁極構(gòu)成一相，共有A—A、B—B和C—C三相。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，若按順序給步進(jìn)電機(jī)的繞組施加有序的脈沖電流即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而進(jìn)行數(shù)字到角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動(dòng)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(chēng)為一拍，對(duì)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，若按A→B→C→A順序通電，則稱(chēng)為單相三拍運(yùn)行方式。若按A→AB→B→BC→C→C→A→A順序通電，則稱(chēng)為三相六拍運(yùn)行方式。若按AB→BC→CA→AB順序通電，則稱(chēng)為雙相三拍運(yùn)行方式。一般數(shù)字電路的信號(hào)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，必須要有一個(gè)與之匹配的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電路不僅應(yīng)該包含由功率開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)主電路，還應(yīng)包含一個(gè)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(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷。典型的驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)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(guò)7406驅(qū)動(dòng)脈沖功率放大級(jí)的達(dá)林頓復(fù)合管，再分別控制三相步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相。根據(jù)P1口輸出控制信號(hào)的狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。
步進(jìn)電機(jī)工作在三相六拍時(shí)的控制字。從中可以看出，步進(jìn)電機(jī)第一個(gè)控制字?jǐn)?shù)據(jù)為01H，從上到下輸出控制字時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，自下而上輸出控制字?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一拍的時(shí)間決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在輸出一個(gè)控制字后加入一定的延時(shí)時(shí)間，即可控制步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)要走的步數(shù)，轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶(hù)標(biāo)志位F1(D5H)中，當(dāng)F1為“0"時(shí)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，F(xiàn)1為“1"時(shí)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)控制字存放在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器20H～25H中，26H中存放結(jié)束標(biāo)志00H。在27H開(kāi)始的存儲(chǔ)區(qū)存放反轉(zhuǎn)控制字，在2DH單元存放結(jié)束標(biāo)志00H。SCM可以采用程序延時(shí)和定時(shí)器延時(shí)。下面利用定時(shí)器延時(shí)，以中斷方式輸出控制脈沖。
3 基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制方法
本文以O(shè)MRON的CQM1型機(jī)為例，分析通過(guò)PLC的軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配。
由移位寄存器SFT(10)指令循環(huán)輸出實(shí)現(xiàn)脈沖分配，步進(jìn)電機(jī)工作在三相六拍時(shí)的狀態(tài)由內(nèi)部輔助寄存器IR016的00～05繼電器控制，為實(shí)現(xiàn)循環(huán)控制，由第6位信號(hào)01605作為反饋信號(hào)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(shí)器通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中為方便起見(jiàn)。采用了內(nèi)部特殊繼電器SR25500。SFT的復(fù)位輸入端R接步進(jìn)電機(jī)停止信號(hào)，該端為ON時(shí)，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(jìn)電機(jī)通電繞組的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)移位數(shù)據(jù)信號(hào)移到時(shí)。移位寄存器SFT01600的輸出應(yīng)接通步進(jìn)電機(jī)的A相；移到第二位時(shí)，應(yīng)接通A相和B相；其余如此類(lèi)推。以A相繞組為例，當(dāng)輔助繼電器01600、01601、01605中任一個(gè)接通時(shí)(并聯(lián)關(guān)系)，A相通電。移位寄存器每一位的輸出信號(hào)先驅(qū)動(dòng)與步進(jìn)電機(jī)各相對(duì)應(yīng)的輸出繼電器，再由輸出繼電器通過(guò)功率放大器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。
工作過(guò)程簡(jiǎn)單描述如下：由輸入端00000得電發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，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(hào)01600的性。移位寄存器在移位脈沖的作用下順序左移，實(shí)現(xiàn)6位脈沖分配，由輸出繼電器10000、10001、10002分別去接通步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相。步進(jìn)電機(jī)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(dāng)輸入端00001無(wú)效時(shí)，KEEP(11)指令的置位端02600保證02603得電且保持該狀態(tài)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)00001為ON時(shí)，KEEP(11)指令的復(fù)位端02601使02603失電而恢復(fù)原狀態(tài)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。
4 結(jié)束語(yǔ)
比較步進(jìn)電機(jī)的SCM和PLC的控制方法可知。SCM采用定時(shí)器延時(shí)，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(yǔ)言(或C語(yǔ)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(xiě)和調(diào)試要求具備一定語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；而編寫(xiě)PLC程序，即可以采用語(yǔ)句表(助記符)，又可以采用梯形圖，梯形圖簡(jiǎn)單易懂，通過(guò)圖形編程器容易實(shí)現(xiàn)。SCM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，一般需要程序擴(kuò)展，硬件方面需要經(jīng)過(guò)印刷電路板設(shè)計(jì)等過(guò)程；PLC控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，可在線(xiàn)修改控制程序，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，因而設(shè)計(jì)周期短。PLC系統(tǒng)擴(kuò)展靈活，可以在原有控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)展，能有效降低成本，適應(yīng)于復(fù)雜的工業(yè)控制環(huán)境。
用SCM和PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的產(chǎn)生和分配，可以通過(guò)編程在一定范圍內(nèi)自由地設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而且還可以靈活地控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。這兩種控制方式都不需要反饋就能對(duì)位置或速度進(jìn)行控制，且位置誤差不會(huì)積累；用軟件編程代替硬件控制，不僅減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)床自動(dòng)線(xiàn)中，一般根據(jù)不同的加工精度要求設(shè)置三種滑臺(tái)（1）液壓滑臺(tái)，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(tái)，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(tái)，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?jiǎn)稱(chēng)PLC）以其通用性強(qiáng)、可靠性高、指令系統(tǒng)簡(jiǎn)單、編程簡(jiǎn)便易學(xué)、易于掌握、體積小、維修工作少、現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)控制中。特別是在組合機(jī)床自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的控制及CNC機(jī)床的S、T、M功能控制更顯示出其的性能。PLC控制的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服機(jī)構(gòu)應(yīng)用于組合機(jī)床自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)上的數(shù)控滑臺(tái)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(dòng)線(xiàn)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(dòng)線(xiàn)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(tái)結(jié)構(gòu)
一般組合機(jī)床自動(dòng)線(xiàn)中的數(shù)控滑臺(tái)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)伺服機(jī)構(gòu)。采用PLC控制的數(shù)控滑臺(tái)由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)和伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成，伺服傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)效率高、系統(tǒng)剛度好、傳動(dòng)精度高、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高且不能自鎖。
3 數(shù)控滑臺(tái)的PLC控制方法
數(shù)控滑臺(tái)的控制因素主要有三個(gè)：
3.1 行程控制
一般液壓滑臺(tái)和機(jī)械滑臺(tái)的行程控制是利用位置或壓力傳感器（行程開(kāi)關(guān)/死擋鐵）來(lái)實(shí)現(xiàn)；而數(shù)控滑臺(tái)的行程則采用數(shù)字控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。由數(shù)控滑臺(tái)的結(jié)構(gòu)可知，滑臺(tái)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(guò)改變步進(jìn)電機(jī)各繞組的通電順序來(lái)改變其轉(zhuǎn)向;如三相步進(jìn)電機(jī)通電順序?yàn)?/span>A-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(guò)PLC輸出的方向控制信號(hào)改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序來(lái)實(shí)現(xiàn)，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來(lái)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(tái)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(hào)發(fā)生器；對(duì)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(guò)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(dòng)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(wú)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(duì)于自動(dòng)線(xiàn)上的一般伺服機(jī)構(gòu)，其速度可以得到充分滿(mǎn)足。
5 伺服控制、驅(qū)動(dòng)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(dòng)器組成，控制系統(tǒng)中PLC用來(lái)產(chǎn)生控制脈沖；通過(guò)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(guò)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(duì)于大型生產(chǎn)線(xiàn)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(chǎng)有多種專(zhuān)用芯片可以選用。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)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(dòng)能力。一般PLC的輸出接口具有一定的驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)能力，因此應(yīng)該采用驅(qū)動(dòng)器對(duì)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(dòng)控制信號(hào)；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(hào)，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)，
6 應(yīng)用實(shí)例與結(jié)論
將PLC控制的開(kāi)環(huán)伺服機(jī)構(gòu)用于某大型生產(chǎn)線(xiàn)的數(shù)控滑臺(tái)，每個(gè)滑臺(tái)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,工藝要求和加工精度要求