步进驱动控制技术在加工实训装置中的应用

步进驱动控制技术在加工实训装置中的应用

蒋玲，柯勇

(芜湖职业技术学院，安徽 芜湖241006)

摘要：阐述了掌握步进驱动控制技术的重要性，分析了步进驱动系统的组成，针对加工实训装置中步进驱动控制的要求，对系统的软、硬件进行了设计，指出在教学过程中，可以灵活地开展任务驱动教学做一体的教学活动，让学生在完成相关任务的过程中掌握步进驱动控制技术。

关键词：步进驱动系统；PLC；加工装置

作者简介：蒋玲，硕士，讲师，芜湖职业技术学院。研究方向：PLC及自动控制。

基金项目：芜湖职业技术学院2012年度教科研项目“任务驱动教学做一体化教学模式在《现代电气控制技术》课程教学中的探索与实践”(WZ[2012]jy02)。

文章编号：1672-6758(2015)03-0023-3

中图分类号：TP23

文献标识码：A

Abstract：This paper describes the importance of mastering stepping drive control technology and examines the composition of stepping driving system．In view of the training device of stepper driver control, the hardware and software of the system are designed for teaching process. The flexibility to carry out the task- driven teaching can make students to complete a task with the stepping drive control technology.

1前言

步进驱动系统是以步进电动机、控制电路、驱动电路构成的控制系统，[1]具有控制简单、性价比高、方便维修等显著优点, 在焊接专机、自动生产线、数控机床等领域中得到了广泛应用,因此，培养掌握机电一体化技术，掌握步进驱动控制的技术人才是当务之急。为此, 本文针对加工实训装置的控制需求, 采用步进驱动系统，让学生在完成相关实训任务的过程中掌握步进电动机驱动控制技术。

2加工实训装置的组成及功能

加工实训装置主要由三大部分组成：一是控制两维运动机构的步进驱动系统，其中X轴方向的步进驱动系统驱动同步轮同步带，带动气动手爪沿X轴移动，实现精确定位，而Y轴方向的步进驱动系统控制滚珠丝杆的运动，带动主轴沿Y轴移动，实现精确定位；二是加工台、工件夹紧气动手爪、主轴电机、刀具等加工部件；三是光电传感器、磁性传感器等检测元件；四是气缸、电磁阀等气动元件。这四大部分协调工作完成对工件的模拟切削加工功能。

3控制系统

3.1 加工实训装置的控制过程及要求。

装置的控制过程如图1所示。

图1　系统的控制流程图 [2]

加工装置控制系统具体的控制要求为：

(1)系统在电源和气源接通后，应该对系统的硬件做自检，即检查加工装置的各部分是否满足原点条件。若满足则应有相应的信号指示。若不满足则不允许系统运行。

(2)在系统满足运行条件的前提下，方可启动主令开关，设备方可按加工工艺过程运行。系统的控制流程如图1所示。

(3)系统具有预停止功能，即在工作过程中，若按下停止按钮，不是立即停止，而是在完成本周期的最后一步动作后才停止工作，设备运行指示灯熄灭。

(4)设备运行过程中，若按下复位按钮，当前动作停止，系统进行回原点操作，直至回到初始状态。

3.2 步进电机驱动控制系统的硬件设计

步进驱动系统通常由控制器、步进驱动器和步进电机三部分构成。[1][5]

(1)控制器：用于产生高速脉冲信号和方向信号。本装置选用三菱FX2N-16MT集体管输出型PLC作为步进驱动系统的控制器。

(2)驱动器：步进电机驱动器主要由脉冲信号分配和功率驱动电路组成。主要解决向步进电机的各相绕组分配输出脉冲和功率放大两大问题。[2]根据控制器接收的脉冲和方向信号，为步进电机各绕组提供正确的通电顺序，以及为电机提供各种保护措施。本装置选用Leadshine M415B两相步进电动机驱动器，并利用其侧面的SW功能设置开关，设定驱动器的电流和细分。

(3)步进电机：步进电机作为步进驱动系统的执行器，通过控制脉冲个数可以很方便地控制步进电机转过的角位移，且步进电机的误差不积累，可以达到准确定位的目的。还可以通过控制频率很方便地改变步进电机的转速和加速度，达到任意调速的目的。控制信号经驱动器放大后驱动步进电机，从而带动负载。本装置选用两台步进电机：JNT 42J1834-810型的步进电动机。

图2　步进电机驱动控制系统组成框图

(4)PLC的I/O地址分配及外部接线。

启动按钮、停止按钮、复位按钮、气缸位置开关等主令信号和光电传感器、电磁传感器信号检测信号作为PLC控制的输入信号；其中X、Y轴方向上的极限位置保护，采用硬件电路来处理，不作为PLC的输入信号。目的是防止由于软件程序问题导致冲出极限位置而造成元器件损坏。气动手指、升降气缸电磁阀的控制信号和输出到步进电机驱动器的脉冲信号和方向信号作为PLC的输出。由于需要给步进驱动器提供高速脉冲，选用三菱FX2N-16MT PLC，共8点输入信号，8点输出信号晶体管输出型PLC，其中仅有两个端口Y0、Y1可以提供高速脉冲信号。[3]

图3、图4分别为PLC的I/O接线原理图和X轴步进电动机接线图。

图3　PLC的I/O接线原理图

图4　X轴步进电动机接线图

3.3系统软件设计。

使用步进电机驱动器控制步进电机，只要考虑输出脉冲的频率(控制驱动器PUL端)，以及步进电机的方向(控制驱动器的DIR端)。三菱FX2N-16MT PLC可以产生高速脉冲输出，常用的高速脉冲输出指令为不带加减速的脉冲输出指令PLSY和带加减速的脉冲输出指令PLSR。利用PLC的Y0、Y1输出的高速脉冲，作为步进驱动器的脉冲输入信号，另外通过方向信号控制步进电机的运行方向。我们分别以X轴、Y轴的原点作为参考点，系统初始位置处于各自原点处，离开原点的运动时，方向信号为ON，反之，向原点回归的方向运动时方向信号为OFF。步进驱动器的功能接收来自PLC的一定数量和脉冲频率以及电动机旋转方向的信号，为步进电动机输出脉冲信号。[3][5]

限于篇幅，此处仅列出X轴定位控制的参考程序段：离开原点带动主轴前往加工工件的运行程序段和向原点回归的程序段。以区别这两种情况下步进驱动系统定位控制PLC程序设计上的不同。

图5　X轴离开原点的程序段

当S24为活动步时，Y0开始输出频率为800HZ的脉冲，其脉冲个数为3450个，这个数值需要通过计算细分和现场调试测定。PLC输出在设定的3450个脉冲后，脉冲输出停止，步进电机停止运行，达到定位的目的。当设定的脉冲结束后，执行完成标志M8029动作，可以作为转换到下一步的转换条件。

图6　向原点回归的程序段

当S29为活动步时，Y0开始输出频率为600HZ的脉冲，其脉冲个数为0个，PLSY设定脉冲个数为0时，则表示PLC连续输出脉冲信号给驱动器，步进电动机连续运行。这时当步进电机带动主轴运行到X轴的原点X1处，X1的常闭触点断开，输出中断，Y0也断开，即强制停止输出脉冲。所以再返回原点的PLC程序设计时，为了保证可靠地回到原点，用外部的原点开关提供的信号来控制输出脉冲停止。

PLC控制程序是加工实训装置的核心，学生在实训时频率和脉冲个数的设定可以在参考值左右调整，既可以在线观察频率和脉冲个数对步进电机运行情况的影响，又也可以根据学生掌握的情况，决定是只实现X轴或Y轴单轴运行，还是实现双轴同时运行。为了系统操作方便性，可以在自动程序运行的基础上增设自动回原点程序，当系统不在原点位置可以通过软件程序自动返回原点。

4结语

基于步进电机驱动控制的加工实训装置，可以模拟一个与实际生产情况十分接近的控制过程，使学生得到一个非常接近于实际的教学设备环境，有利于采用任务驱动教学做一体的教学模式来进行教学活动，让学生在完成各种任务的过程中掌握步进驱动控制技术，从而缩短了理论教学与实际应用之间的距离。[4]

参考文献

[1]赵秀伟，任建岳.步进电动机控制系统设计概述[J].微特电机，2014，42(5)：8-13.

[2]陈育中，吉小辉，朱东南.PLC控制技术在智能停车管理系统中的应用[J].兰州工业学院学报. 2013(02):17-22.

[3]廖常初.PLC基础及应用(第三版)[M].北京：机械工业出版社，2014：145-146.

[4]中国·亚龙科技集团.自动化生产线安装与调试(三菱FX系列)[M].北京：中国铁道出版社，2010.

[5]李全利.PLC运动控制技术应用设计与实践[M].北京：机械工业出版社，2010.

[6]宁宗奇.自动生产线装配、调试与维修[M].北京：机械工业出版社，2011：60-62.

Application of Stepper Motor Drive Control Technology to the Processing Training Device

Jiang Ling, Ke Yong

(Wuhu Vocational Institute of Technology, Wuhu, Anhui 241006，China)

Key words：stepper driving system；PLC；processing device

Class No.:TP23Document Mark：A

(责任编辑：宋瑞斌)