基于PLC的步进电机控制实验装置的研制

2018-11-20黄海龙杜佳舒赵云宇刘晓东

装备制造技术 2018年9期

王迪，黄海龙，荆铭，杜佳舒赵云宇，刘晓东

（辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁锦州121001）

步进电机控制实验是“PLC控制技术”、“机电一体化”、“电动机控制”等课程的主要实验之一，本文针对现有实验装置的不足，研制了一套基于PLC的步进电机控制实验装置，该实验装置主要由PLC、触摸屏、步进电机、步进电机驱动器、滚珠丝杠、滑块、直线导轨和位移传感器等组成，可以帮助学生学习步进电机的速度，位置的控制方法，还可以帮助学生学习PLC对模拟量输入信号和模拟量输出信号的处理方法。该实验装置可以应用于“PLC控制技术”等课程的实验教学，还可应用于机电专业的开放实验、机电专业的课程设计和毕业设计等。

1 实验装置的功能

该实验装置主要基于PLC和触摸屏，实现对步进电机的控制，主要功能有：

（1）实验装置可以帮助学生学习步进电机的速度，位置的控制方法；

（2）实验装置可以帮助学生学习PLC对模拟量输入信号的处理方法；

（3）实验装置可以帮助学生学习PLC对模拟量输出信号的处理方法；

（4）实验装置可以帮助学生学习PLC的逻辑控制方法和数据处理方法；

（5）实验装置可以帮助学生学习触摸屏的编程方法。

2 实验装置的特点

该实验装置的主要特点有：

（1）实用性：实验装置可以帮助学生学习步进电机的速度、位置的控制方法；PLC对模拟量输入信号的处理方法；PLC对模拟量输出信号的处理方法；PLC的逻辑控制方法和数据处理方法；触摸屏的编程方法等。

（2）简单易操作性：实验装置的程序设计简洁优化，对于有PLC和触摸屏基础的学生，2到3个学时就能够掌握步进电机的速度、位置的控制方法；PLC对模拟量输入信号的处理方法和PLC对模拟量输出信号的处理方法。

（3）开放性：实验装置的程序是开源的，学生可以在原有程序的基础上开发功能更多、更高的新程序。

（4）安全性：实验装置对电源部分进行了特殊处理，可以有效地保护学生的安全。

3 实验装置的组成

该实验装置主要包括PLC、触摸屏、步进电机、步进电机驱动器、滚珠丝杠、滑块、直线导轨、位移传感器、24V开关电源。触摸屏用于设置和显示；PLC通过Q0.0输出不同周期和个数的脉冲给步进电机驱动器，步进电机驱动器对PLC输出的脉冲进行细分和功率放大以驱动步进电机；步进电机通过联轴器与丝杠联接，丝杠-螺母副把步进电机的旋转运动转变为螺母和滑块的直线运动；整个装置处于正向控制时，位移传感器用于检测滑块的位置，整个装置处于反向控制时，位移传感器为PLC提供输入信号，控制步进电机的旋转，从而控制滑块跟踪位移传感器的位置；24V开关电源为触摸屏、PLC、步进电机驱动器提供电源，位移传感器的电源由PLC的传感器电源提供。主要部件的型号如表1所示，步进电机电机的固有步距角为1.8°，滚珠丝杠的行程为200 mm，导程为2 mm，位移传感器的行程为250 mm，输出为0～5 V.

表1 实验装置的主要部件的型号

4 实验装置的制作

（1）触摸屏界面的设计

使用台达DOP-A系列触摸屏的编译软件Screen Editor设计触摸屏的界面，触摸屏的界面主要有开机界面，步进电机的速度、位置控制界面，PLC对模拟量输入信号的处理界面和PLC对模拟量输出信号的处理界面，四个界面如1所示。

图1 触摸屏界面

（2）PLC程序的设计

使用西门子S7-200系列PLC的编译软件STEP 7 MicroWIN编写PLC的程序，PLC程序的主要代码如下：LD SM0.0；MOVW VW110，AQW0；LD SM0.0；MOVW AIW0， VW210；AENO；/I+32， VW210；AENO；=Q0.0；LD SM0.0；MOVW VW210，VW220；*I+5，VW220；LD SM0.0；R Q0.0，1；LD SM0.0；MOVW VW30，SMW68；LD M1.4；EU；S Q0.2，1；LD M1.3；EU；R Q0.2，1；LD M1.3；O M1.4；OW ＞=VW1600，6000；EU；MOWB 16#85， SMB67；MOVD VD10，SMD72；PLS.

5 实验装置的样机及其测试

实验装置的样机如图2所示，实验装置的主要部件固定在一个平板机架上，分四层排列，最上面一排是步进电机、联轴器、丝杠-螺母副、滑块；第二排是位移传感器；第三排是24 V开关电源、PLC、步进电机驱动器；最下面一排是触摸屏。

图2 实验装置的实物图

对样机进行测试，首先进行正向测试，即在触摸屏上设置PTO的周期和个数，控制步进电机的运转，用传感器检测滑块的实际位置，对比实际位置和计算位置，得到实验装置正向运行的准确率，测试时，SMB67设置为16#85，即PTO的单位为μs，正向测试的实验数据如表2所示。再对样机进行反向测试，即手动改变传感器的位置，控制步进电机的运转，用触摸屏监测PTO的实际个数，对比实际个数和计算个数，得到实验装置反向运行的准确率，反向测试的实验数据如表3所示。

表2 实验装置的正向测试数据

表3 实验装置的反向测试数据

由表2可知，当PTO的周期设置为10时，实验装置的准确率在99.40%-99.50%之间，当PTO的周期设置为1000时，实验装置的准确率在99.50%-99.60%之间，PTO的周期为1000时的准确率高于PTO的周期为10时的准确率；由表3可知，实验装置的反向准确率在99.10%-99.40%之间，低于实验装置的正向准确率。