PLC步进电动机正反转及调速的控制研究

2015-02-24陈隆

橡塑技术与装备 2015年22期

关键词：时间常数电动机原理

陈隆

（齐重数控装备股份有限公司，黑龙江齐齐哈尔 161005）

PLC步进电动机正反转及调速的控制研究

陈隆

（齐重数控装备股份有限公司，黑龙江齐齐哈尔 161005）

随着PLC技术的发展，给步进电机应用技术的发展带来了新的方向。本文首先对步进电机的工作原理、构造种类及特点特性进行分析，并从PLC的控制原理及组成、PLC控制硬件的设计以及PLC控制软件的设计几方面讨论了PLC应用于步进电动机正反转及调速的控制研究，为PLC技术在步进电机中的应用提供一些参考。

PLC；步进电机；正反转；调速；控制研究

步进电机是一种感应电机，利用步进电机能实现对电机转速的即时调节，以满足不同生产或工作对电机调速的需要。PLC应用于步进电动机正反转及调速控制，作为现代自动化控制系统中步进电机应用的关键技术，更是受到社会各领域的广泛重视和高度关注。

1 步进电机概述

1.1 步进电机的工作原理

步进电机工作系统中，步进电机是执行元件，由开环伺服系统进行速度控制。步进电机的工作原理是利用电子电路，将直流电变为分时供电，多项时序控制电流，通过用这种多相时序电流为步进电动机供电，使步进电机工作。步进电机工作时，将进给脉冲转换为机械角位位移，并由传动杠带动工作台移动，因此，步进电机的工作精度主要由电动机的步距角和与之相联系的丝杠等传动机构决定。步进电机的开环伺服工作系统控制结构简单，较容易调整，因此在对速度和精度要求不高的场合具有一定的应用价值。

1.2 步进电机的特点特性

（1）步进电机外表对温度控制要求更高，这是因为一旦步进电机使用温度过高，将对电机的磁性材料造成影响，导致退磁，使步进电机发生失步现象。一般应用于步进电机的磁性材料退磁点在130 ℃以上，因此步进电机的外表温度控制在90 ℃左右最为合适。

（2）步进电机转动时，其力矩会随转速的升高而下降，这是因为步进电机在转动时，各绕组会形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大，而点击频率的增大将会使相电流减小，从而导致力矩下降。

（3）步进电机低速能够正常运转，但高于一定的速度便无法正常启动，还伴有啸叫声。

2 PLC步进电动机正反转及调速的控制设计

2.1 PLC控制系统的原理及组成

PLC能够按照预先设计的程序指令，将脉冲按顺序加在功率放大器的控制输入上，以实现步进电机速度、正传和反转的控制，是PLC步进电机正反转及调速系统控制的核心。由于PLC控制器的输出电流较小，因此PLC无法直接驱动步进电机，因而需要通过脉冲控制输入和驱动电路的联合作用，将PLC控制器的控制信号转换为脉冲电流，提供给电机足够功率的控制信号，使步进电机正反转或调速。

2.2 控制系统硬件的设计

想要实现对步进电机正反转及调速控制，需要对硬件的输入信号进行设计。输入控制信号可根据步进电机的应用需要进行设计，如实现步进电机速度、正转、反转等基础功能，可以设计s0～s4五个输入端子，其中s0为启动开关，s1为停止开关，s2～s4是电机运行方式的选择，其中s2与s3设计为正反转控制选择，s4是控制电机的转速。PLC应用于步进电机进行正反转及调速控制时，必须设计驱动电路才能将PLC的控制信号转换为足够功率的信号，控制步进电机的动作。

2.3 PLC控制系统软件设计

PLC控制系统的软件程序设计，是PLC实现对步进电机进行控制的工作重点。本文以三菱FX2n-48MR机型作为案例，对PLC控制系统的软件系统设计进行探讨和分析。PLC控制系统软件设计的工作原理是编写一个控制程序，使步进电机三相绕组的通电顺序循环变换，实现对步进电机的正反转控制。再通过改变步进电机三相绕组的通电切换速度，来控制步进电机的转速。

在本控制程序中，脉冲信号来自T200。由步进电动机的转速n=60 f/Zr.m（其中取转子齿数Zr =4，运行拍数 m=6）及转速控制要求（最高转速为10 r/min，最低转速为1 r/min ），可得 fmax=4 Hz ， fmin=0.4 Hz 。由于f由T200决定，所以通过设置T200的时间常数即可获得所需的频率。由T=1f，可得T200 min=250 ms，T200max=2 500 ms。因为 T200的定时单位为 10 ms ，所以可得T200的时间常数K设置为Kmin=25 ， Kmax=250。同理可以推导出转速为5 r/min 时， T200 的时间常数应设置为K=50 。因此，只要按需要增加按钮的个数，就可以轻松的实现对步进电机正反转及转速的控制。针对转速要求较快的步进电机，则不宜采用继电器输出型的PLC进行控制，应采用更先进的晶体管输出型PLC。