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步进电机的可编程控制器直接控制，可使组合机床自动生产线控制系统的成本显著下降。文章介绍了用plc控制步进电机驱动的数控滑台方法，伺服控制、驱动及接口以及步进电机plc控制的软件逻辑。 
1 概述 
在组合机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台（1）液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工工序中；（2）机械滑台，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）数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。可编程控制器（简称plc）以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及cnc机床的s、t、m功能控制更显示出其卓越的性能。plc控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低70~90%，甚至只占用自动线控制单元plc的3~5个i/o接口及<1kb的内存。特别是大型自动线中可以使控制系统的成本显著下降。 
2 plc控制的数控滑台结构 
一般组合机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用plc控制的数控滑台由可编程控制器、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成，见图1。

 
图1

伺服传动机构中的齿轮z1、z2应该采取消隙措施，避免产生反向死区或使加工精度下降；而丝杠传动副则应该根据该单元的加工精度要求，确定是否选用滚珠丝杠副。采用滚珠丝杠副，具有传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优点，但成本较高且不能自锁。 
3 数控滑台的plc控制方法 
数控滑台的控制因素主要有三个： 
3.1 行程控制 
一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器（行程开关/死挡铁）来实现；而数控滑台的行程则采用数字控制来实现。由数控滑台的结构可知，滑台的行程正比于步进电机的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。由步进电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数；因此可以根据伺服机构的位移量确定plc输出的脉冲个数： 
n= dl/d （1） 
式中 dl——伺服机构的位移量（mm），d ——伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲） 
3.2 进给速度控制 
伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率;因此可以根据该工序要求的进给速度,确定其plc输出的脉冲频率: 
f=vf/60d (hz) （2） 
式中 vf——伺服机构的进给速度(mm/min) 
3.3 进给方向控制 
进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向;如三相步进电机通电顺序为a-ab-b-bc-c-ca-a…时步进电机正转;当绕组按a-ac-c-cb-b-ba-a…顺序通电时步进电机反转。因此可以通过plc输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。 
4 plc的软件控制逻辑 
由滑台的plc控制方法可知，应使步进电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。因此在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器；对于频率较低的控制脉冲，可以利用plc中的定时器构成，如图2所示。脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器c10。当脉冲数达到设定值时，计数器c10动作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转，伺服执行机构定位。当伺服执行机构的位移速度要求较高时，可以用plc中的高速脉冲发生器。不同的plc其高速脉冲的频率可达4000~6000hz。对于自动线上的一般伺服机构，其速度可以得到充分满足。

 
图2

5 伺服控制、驱动及接口 
5.1 步进电机控制系统的组成 
步进电机的控制系统由可编程控制器、环行脉冲分配器和步进电机功率驱动器组成，其结构见图1。 
控制系统中plc用来产生控制脉冲；通过plc编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量；同时通过编程控制脉冲频率——既伺服机构的进给速度；环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。plc控制的步进电机可以采用软件环行分配器，也可以采用如图1所示的硬件环行分配器。采用软环占用的plc资源较多，特别是步进电机绕组相数m>4时，对于大型生产线应该予以充分考虑。采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用plc的i/o口点数，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动器将plc输出的控制脉冲放大到几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力。一般plc的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几~几十伏特、几十~几百毫安。但对于功率步进电机则要求几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。 
5.2 可编程控制器的接口 
如伺服机构采用硬件环行分配器，则占用plc的i/o口点数少于5点，一般仅为3点。其中i口占用一点，作为启动控制信号；o口占用2点，一点作为plc的脉冲输出接口，接至伺服系统硬环的时钟脉冲输入端，另一点作为步进电机转向控制信号，接至硬环的相序分配控制端，如图3所示；伺服系统采用软件环行分配器时，其接口如图4。

6 应用实例与结论 
将plc控制的开环伺服机构用于某大型生产线的数控滑台，每个滑台仅占用4个i/o接口，节省了cnc控制系统，其脉冲当量为~0.05mm,进给速度为vf=3~15m/min,完全满足工艺要求和加工精度要求

步进电机位移与输入脉冲信号数相对应，精度高、响应特性好、可靠性高、速度可在较宽范围内平滑调节，是控制系统中一种重要的自动化执行元件。

    scm(single chip microcomputer，单片机)是把组成微型计算机的中央处理器、存储器、输入输出接口电路、定时器／计数器等制作在一块集成电路芯片中，它具有小巧、低功耗、指令系统丰富等优点，成为工业控制的主角。

    plc(programmable logiccontroller，可编程序逻辑控制器)是以微型计算机为核心的一种工控机。其控制方案能事先进行模拟调试，自身设计采用了冗余措施和容错技术。由于plc通用性强，编程操作方便，扩展灵活，可靠性高，应用几乎覆盖各个工业领域。

   步进电机的电脉冲信号若由scm产生，就构成以scm为核心的控制系统。若电脉冲信号由plc产生，就构成以plc为核心的控制系统。

1步进电机驱动方式

   反应式步进电机频率响应快、可双向旋转、定位准确、起停速度快，因而使用多，具有代表性。三相反应式步进电机定子有6个等间隔的磁极，线圈绕过相互正对的两个磁极构成一相，共有a—a、b—b和c—c三相。根据步进电机的工作原理，若按顺序给步进电机的绕组施加有序的脉冲电流即可控制步进电机的转动，从而进行数字到角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动的方向则与脉冲的顺序有关。

   从一相通电转到另一相通电称为一拍，对三相反应式步进电机来说，若按a→b→c→a顺序通电，则称为单相三拍运行方式。若按a→ab→b→bc→c→c→a→a顺序通电，则称为三相六拍运行方式。若按ab→bc→ca→ab顺序通电，则称为双相三拍运行方式。一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机，必须要有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。驱动电路不仅应该包含由功率开关器件构成的驱动主电路，还应包含一个逻辑单元，在输入脉冲序列的作用下输出定子绕组通电状态，控制主电路功率开关器件的导通与关断。典型的驱动电路主要有全电压，恒流斩渡，升频升压等形式。

2基于scm的步进电机控制方法

    2.1控制原理

   scm的p1口作为输出口，p1.0，p1.1，p1.2分别输出控制脉冲，通过7406驱动脉冲功率放大级的达林顿复合管，再分别控制三相步进电机的a、b、c三相。根据p1口输出控制信号的状态，即可实现对步进电机的正反转控制。

   表1列出了步进电机工作在三相六拍时的控制字。从中可以看出，步进电机个控制字数据为01h，从上到下输出控制字时，电机正转，自下而上输出控制字数据时，电机反转。步进电机运行一拍的时间决定了步进电机的转速。在输出一个控制字后加入一定的延时时间，即可控制步进电机的转速。

表1 三相六拍步进电机控制字

    2.2 控制程序

   设scm工作寄存器r3中存放了步进电机要走的步数，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位f1(d5h)中，当f1为“0”时步进电机正转，f1为“1”时步进电机反转。正转控制字存放在片内数据存储器20h～25h中，26h中存放结束标志00h。在27h开始的存储区存放反转控制字，在2dh单元存放结束标志00h。scm可以采用程序延时和定时器延时。下面利用定时器延时，以中断方式输出控制脉冲。

3基于plc的步进电机控制方法

 

    本文以omron的cqm1型机为例，分析通过plc的软件设计来实现步进电机的脉冲分配。

   由移位寄存器sft(10)指令循环输出实现脉冲分配，步进电机工作在三相六拍时的状态由内部辅助寄存器ir016的00～05继电器控制，为实现循环控制，由第6位信号01605作为反馈信号接到sft的数据输入端in。sft的移位脉冲输入端cp可由plc内部高速定时器通过编程实现，本设计中为方便起见。采用了内部特殊继电器sr25500。sft的复位输入端r接步进电机停止信号，该端为on时，数据通道ir016的所有位置0，并且不接受数据输入。

   表2列出了ir016与步进电机通电绕组的对应关系，在步进电机正转时，当移位数据信号移到位时。移位寄存器sft位01600的输出应接通步进电机的a相；移到第二位时，应接通a相和b相；其余如此类推。以a相绕组为例，由表2可知，当辅助继电器0中任一个接通时(并联关系)，a相通电。移位寄存器每一位的输出信号先驱动与步进电机各相对应的输出继电器，再由输出继电器通过功率放大器驱动步进电机。

表2 ir016与电机通电绕组对应关系

   梯形图控制程序如图1所示。工作过程简单描述如下：由输入端00000得电发出启动信号，前沿微分指令difu(13)保证移位寄存器sft(10)指令中移位数据初始信号01600的唯一性。移位寄存器在移位脉冲的作用下顺序左移，实现6位脉冲分配，由输出继电器10000、10001、10002分别去接通步进电机的a、b、c三相。步进电机转速可由移位寄存器sft的脉冲输入端控制，转向由继电器02603控制。当输入端00001无效时，keep(11)指令的置位端02600保证02603得电且保持该状态，电机正转；当00001为on时，keep(11)指令的复位端02601使02603失电而恢复原状态，电机反转。

图1 梯形图

4结束语

   比较步进电机的scm和plc的控制方法可知。scm采用定时器延时，以中断方式输出控制脉冲；plc采用移位指令和内部特殊继电器，以循环顺序扫描方式输出控制脉冲。scm采用汇编语言(或c语言)编程，其指令系统的同有格式受硬件结构的限制很大，编写和调试要求具备一定语言程序设计基础；而编写plc程序，即可以采用语句表(助记符)，又可以采用梯形图，梯形图简单易懂，通过图形编程器容易实现。scm控制系统设计周期长，一般需要程序扩展，硬件方面需要经过印刷电路板设计等过程；plc控制系统采用模块化结构，可在线修改控制程序，并实现实时监控，因而设计周期短。plc系统扩展灵活，可以在原有控制系统基础上进行功能扩展，能有效降低成本，适应于复杂的工业控制环境。

   用scm和plc来实现步进电机控制脉冲的产生和分配，可以通过编程在一定范围内自由地设定步进电机的转速，而且还可以灵活地控制步进电机的运行状态。这两种控制方式都不需要反馈就能对位置或速度进行控制，且位置误差不会积累；用软件编程代替硬件控制，不仅减少了系统设计的工作量，而且提高了控制系统的可靠性。

用可编程控制器（plc）产生各种步进脉冲驱动步进电机去达到各种控制、测试目的己屡见不鲜了。步进电机由于具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，成了工控的主要执行元件之一，尤其是在jingque定位场合中得到了广泛的应用。但近年来，人们更关注的却是它的变频特性。由于事物变化的不均匀性，定频技术越来越显示出它的局限性，而变频技术却能很好地适应各种随机变化的系统。 
plc对步进电机的控制 
plc是广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。为了配合步进电机的控制，许多plc都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行控制，图1是松下fp0-c16t晶体管输出型plc的输出电路结构。

图1 plc输出电路图

fp0-c16t型plc有两个脉冲输出端y0和y1端，随着控制方式的不同，有三种脉冲输出形式。 
(1)这两个脉冲输出端可以用来作为两个不带加减速的单相脉冲输出端，主要使用pls和spd1指令进行控制，颠率范围为0hz_10khz，可以连续输出，也可以脉冲中形式输出，可以同时单独输出。 
(2)可以作为两相可变占空比的连续脉冲输出端，主要使用pwm指令控制，占空比设置范围为0%_。频率设置范围0.1hz_999.9hz。 
(3)可以作为带梯形加减速的两相脉冲输出，主要使用puls和spd1指令控制，频率变化范围0hz_10khz，加减速率10hz／10ms_10khz／10ms，可以连续输出，也可以脉冲串形式输出，这里又分为两种控制方式，一种是脉冲+方向控制(y0、y1输出脉冲，y2、y3输出方向)，一种是正反向脉冲输出(y0输出cw脉冲，y1输出ccw脉冲)。如果使用y0、y2分别进行脉冲、方向控制，控制系统如图2所示。如果使用y0作为脉冲输出，可以通过如图3所示的方法实现两相脉冲输出。

 
图2 脉冲、方向输出图

 
图3 双脉冲输出图

plc控制步进电机在送经装置上的应用 
采用plc控制的步进电机的变频特性运用在纺织机的送经装置中很好地解决了经纱内部张力不均匀的问题，使产品的质量产生了质的飞跃。 
(1) 经纱张力信号检测 
本装置是通过检测后梁的摆动是否超出范围来检测经纱张力的波动是否满足要求，不满足要求时就控制送经装置予以调整。如图4，当经纱2的张力发生波动时，活动后梁4带动张力感应杆5绕点o摆动。当检测片6进入接近开关7的有效作用区时，接近开关7就发出一高电平信号。以plc为核心的控制器根据这一信号和主轴位置信号，启动步进电机13，驱动织轴送出经纱。接近开关7’是极限张力检测开关。当经纱张力过大或过小时，检测片6将遮挡接近开关7’，7’输出的高电平信号到控制器后，控制器就会关掉织机，以便进行人工处理。主轴位置的检测是为了控制送经运动的允许时间，以避开打纬，保证纬纱能被打紧。主轴位置的检测同样采用的是接近开关非接触式检测。

 
图4 送经装置结构图

(2) 织轴驱动系统 
织轴驱动系统由步进电机驱动器、步进电机、蜗轮减速器和织轴四部份组成。它的作用原理是：控制系统送来的信号经驱动放大处理后，驱动步进电机转动，然后经过减速器减速，再传动织轴，放出经纱。 
对于织机送经机构，其负载特点是：当步进电机正转送出经纱时，经纱张力不是负载阻力，而是驱动力。因此步进电机只需输出较小力矩，克服蜗杆蜗轮自锁性，织轴即可回转经。此时步进电机转速可能较高(由纬密定)；当步进电机反转张紧经纱时，经纱张力是负载阻力，步进电机需输出较大的驱动转矩，而此时步进电机转速要求较低，步进电机的输出矩频特性(如图5虚线所示)正好与其相适应。因此、步进电机非常适合于这类伺服机构低转速大转矩、高转速小转矩和高精度的要求，是织机送经机构理想的驱动元件。

 
图5 织机送经装置负载转矩图

送经装置采用的是2相56系列步进电机dm5676a。它的技术指标如下：步距角：1.8_；相电流：2.0a；保持转矩：1.35nm；静转矩：0.07nm；转动惯量：4.6*10-5kgm2。反应式步进电机具有结构简单，经久耐用，力矩－惯性比高、步进频率高、响应快、步距角小等优点，是目前国内外应用多的一种步进电机。 
由于步进电机调速方便、调速范围宽，所以步进电机送经装置不用变换齿轮也能满足纬密2_120根/cm。电子送经装置则不能做到这一点，在此纬密范围内至少需要三档变换齿轮。步进电机送经装置的技术指标如下：

结 语 
实验效果表明，本文研制的步进电机送经装置性能良好，工作可靠。配上多种功能的人机界面后可以实现织轴收放经纱的可视化操作，改变纬密的键盘输入，防止开车横挡，出现异常情况时自动关车报警等功能。