PLC实现步进电机正反转和调速控制

一、实验目的

1、掌握步进电机的工作原理

2、掌握带驱动电源的步进电机的控制方法

3、掌握DECO指令实现步进电机正反转和调速控制的程序

1、FX2N-48MR PLC一台

2、两相四拍带驱动电源的步进电机一套

3、正反切换开关、起停开关、增减速开关各一个

三、步进电机工作原理

步进电机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转换成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，图3-1是一个三相反应式步进电机结图。从图中可以看出，它分成转子和定子两部分。定子是由硅钢片叠成，定子上有六个磁极（大极），每两个相对的磁极（N、S极）组成一对。共有3对。每对磁极都绕有同一绕组，也即形成1相，这样三对磁极有3个绕组，形成三相。可以得出，三相步进电机有3对磁极、3相绕组；四相步进电机有4对磁极、四相绕组，依此类推。

反应式步进电动机的动力来自于电磁力。在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导率（或者最小磁阻）的位置，如图3-1（a）所示，定子小齿与转子小齿对齐的位置，并处于平衡状态。对三相异步电动机来说，当某一相的磁极处于最大导磁位置时，另外两相相必处于非最大导磁位置，如图3-1（b）所示，即定子小齿与转子小齿不对齐的位置。

把定子小齿与转子小齿对齐的状态称为对齿，把定子小齿与转子小齿不对齐的状态称为错齿。错齿的存在是步进电机能够旋转的前提条件，所以，在步进电机的结构中必须保证有错齿的存在，也就是说，当某一相处于对齿状态时，其它绕组必须处于错齿状态。

本实验的电机采用两相混合式步进电机，其内部上下是两个磁铁，中间是线圈，通了直流电以后，就成了电磁铁，被上下的磁铁吸引后就产生了偏转。因为中间连接的，是采用在转轴的位置用一根滑动的接触片。这样如果电磁铁转过了头，原先连接电磁铁的两根线刚好就相反了，所以电磁铁的N极S极就和以前相反了。但是电机上下的磁铁是不变的，所以又可以继续吸引中间的电磁铁。当电磁铁继续转，由于惯性又转过了头，所以电极又相反了。重复上述过程就步进电机转了。

根据这个原理，如图3-2所示，两相步进电机的转动步骤，以正转为例：

由图可见，现相异步电机正转过程分为四个步骤，即A相正方向电流、B相正方向电流、A向反方向电流和B相反方向电流。反转工作的顺序与之相反。A、B两相线圈不是固定的电流方向，这与其它步进电机的控制逻辑有所不同。因此，控制步进电机转动时，必须考虑用换相的思路设计实验线路。可以根据模拟驱动电路的功能和plc必须的逻辑关系进行程序设计。

四、采用步进电机驱动器的控制方式

利用步进电机驱动器可以通过PLC的高速输出信号控制步进电机的运动方向、运行速度、运行步数等状态。其中：步进电机的方向控制，只需要通过控制U/D端的On和Off就能决定电机的正转或反转；将光耦隔离的脉冲信号输入到CP端就能决定步进电机的速度和步数；控制FREE信号就能使电机处于自由状态。

因此PLC的控制程序相当简单，只需通过PLC的输出就能控制步进电机的方向、转速和步数。不必通过PLC控制电机换相的逻辑关系，也不必另外添加驱动电路。实训面板见图3-4，梯形图见图3-5。本程序是利用D0的变化，改变T0的定时间隔，从而改变步进电机的转速。通过两个触点比较指令使得D0只能在10～50之间变化，从而控制步进间隔是1S～5S之间，I/O分配表见表3-1。

表3-1 I/O分配表

图3-5 梯形图

五、采用PLC直接控制步进电机方式

对于两相步进电机控制，根据其工作原理，必须考虑其换向的控制方式，因此将其步骤用代号分解，则为：①实现电流方向A+→A-、②实现电流方向B+→B-、③实现电流方向A-→A+、④实现电流方向B-→B+。如果反转则按照④、③、②、①的顺序控制。

PLC的I/O分配表按照表3-2，分配图按照图3-6，梯形图见图3-7。

表3-2 PLC的I/O分配表

步进电机正反转和调速控制的梯形图如图3-7所示，程序中采用积算定时器T246为脉冲发生器，因系统配置的PLC为继电器输出类型，其通断频率过高有可能损坏PLC，故设定范围为K200ms～1000ms，则步进电机可获得1～10步/秒的变速范围，（X0为ON时，正转，X1为ON时；反转）。

X0为ON时，输出正脉冲列，步进电机正转。当X0为ON时，T246以D0值为预置值开始计时，时间到，T246导通，执行DECO指令，根据D1数值（首次为0），指定M10输出，Y0、Y4为ON，步进电机A相通电，且实现电流方向A+→A-；D1加1，然后，T246马上自行复位，重新计时，时间到，T246又导通，再执行DECO指令，根据D1数值（此次为1），指定M11输出，Y1、Y5为ON，步进电机B相通电，且实现电流方向B+→B-；D1加1，T246马上又自行复位，重新计数，时间到，T246又导通，再执行DECO指令，根据D1数值（此次为2），指定M12输出，Y2、Y6为ON，步进电机A相通电，且实现电流方向A-→A+；D1加1，T246马上又自行复位，重新计时，时间到，T246又导通，再执行DECO命令，根据D1数值（此次为3），指定M13输出，Y3、Y7为ON，步进电机B相通电，且实现电流方向B-→B+；当M13为ON，D1复位，重新开始新一轮正脉冲系列的产生。

X1为ON时，输出反脉冲列，步进电机正转。当X1为ON时，T246以D0值为预置值开始计时，时间到，T246导通，执行DECO指令，根据D1数值（首次为0），指定M10输出，Y3、Y7为ON，步进电机B相通电，且实现电流方向B-→B+；依此类推，完成实现A相反方向电流、B相正方向电流、A相正方向电流三个脉冲列输出；当M13为ON，D1复位，重新开始新一轮正脉冲系列的产生。

当X2为ON时，程序由自动转为手动模式，当X0（X1）为ON时，每点动一次X3，对D1数值（首次为0）加1，分别指定M10、M11、M12及M13输出，从而完成一轮正（反）脉冲系列的产生。

第73步中，当X4为ON，M8012为ON，M4为ON，且D0当前值<K1000，则D0即加1。第88步中，当X5为ON，M8012为ON，M4为ON，且D0>K200，由D0即减1。

六、程序调试及执行

调速时按X4或X5按钮，观察D0的变化，当变化值为所需速度时释放。

如动作情况与控制要求一致表明程序正确，保存程序。如果发现程序运行与控制要求不符，应仔细分析，找出原因，重新修改，直到程序与控制要求相符为止。

七、实训思考练习题

如果调速需经常进行，可将D0的内容显示出来，试设想方案，修改程序，并实验。

图3-7 步进电机正反转和调速控制

程序说明

1、步骤0，指定脉冲序列输出顺序移位值；

2、当X0为ON，输出正脉冲序列，电机正转；当X1为ON，输出负脉冲序列，电机反转；

3、当X2为ON，程序由自动转为手动模式，由X3状态单步触发电机运转；

4、当X4为ON，如D0小于1000，每100ms对D0加1，从而延长每脉冲输出的时间间隔，降低电机的转速；

5、当X5为ON，如D0大于200，每100ms对D0减1，从而缩短每脉冲输出的时间间隔，加快电机的转速；

6、T0为频率调整限制。

实战演练之VS-616G5变频器无级调速的PLC控制

大家好，今天继续上一章的内容，讲解一下VS-616G5变频器无级调速的PLC控制

无极调速

无级调速是指频率指令信号从变频器的模拟输入端子输入。变频器可以利用自身的频率设定电源来进行频率指令的设定，如VS-616G5变频器外部接线图所示。在生产实际中，频率指令信号一般来自于调节器或者PLC。

外部接线图

PLC必须配置模拟量输出模块，将输出的0 -10V或4-20mA模拟量信号送给变频器相应的电压或电流输入端。

这种PLC控制变频器的调速方法，优点是硬件上接线简单，可实现无级调速，缺点是PLC的模拟量输出模块价格较高。

系统设计时，须根据变频器的输入阻抗来选择PLC的模拟输出模块，选用的PLC模拟量输出模块的信号范围和变频器的输入信号范围一致。

VS-616G5变频器、PLC在速度检测和位置控制时的接线

工业控制中，实现速度和位置的闭环控制方法：

配置专用的高速计数模块和运动控制模块。选用特殊功能扩展模块，增加系统的硬件投资。

将PLC基本单元内部的内置高速计数器和变频器的速度卡配合使用，节省硬件费用。

编码器起着检测运行速度、运行位置和运行方向的作用，它和VS-616G5变频器速度卡PG-B2之间用屏蔽电缆相连接，该电缆连接于PG-B2卡上的TA1端子上，TA2端子为两相脉冲的监视输出端子，屏蔽端接在卡上的TA3端子上。TA1端子的1、2分别为给编码器供电的正负电源+12V、0V。

与电机同轴相连的脉冲输出式旋转编码器PG会随着电机的转动而发出相位互差90°的A、B两相脉冲，变频器速度卡PG-B2能够接收这两相脉冲，并将其转换为与实际转速相应的数字信号送给变频器，变频器将实际速度与内部的给定速度相比较，从而调节变频器的输出频率和电压。

图为FX2N-64MR、VS-616G5、PG-B2卡和旋转编码器PG在某系统中的硬件接线图。

PG-B2卡的TA2输出端子的使用情况与PLC程序中所使用的高速计数器有关。

如果程序中使用的是1相1计数计数器C235-C245中的一个计数器，则TA2端子中只使用一相输出即可，例如使用A相，则把TA2的2号端子和PLC的输入端COM连接，而TA2的1号端子则需要根据所使用的计数器查相关PLC手册来定，计数器的计数的方向由M8△△△的状态来决定。

如使用C237，1号端子就需和X2连接；

如使用C243，1号端子就需和X4连接。

如果程序中使用的是1相2计数计数器C246-C250中的一个计数器，则TA2端子中也只使用一相输出，以使用A相为例，同样把TA2的2号端子和PLC的输入端COM连接，而TA2的1号端子则需要根据所使用的计数器的计数方向查手册来定，

如C246的加计数时TA2的1号端子和X0连接，而C246的减计数时TA2的1号端子和X1连接；

如C248的加计数时TA2的1号端子和X3连接，而C248的减计数时TA2的1号端子和X4连接。

如果程序中使用的是2相2计数输入计数器C251-C255中的一个，则TA2端子的两相输出都需使用，TA2的2、4输出端子连在一起后与PLC的输入端COM相连接，1、3端子连接的PLC输入端口随计数器的不同而不同，

如使用C251，则TA2的1、3端子连接PLC的X0、X1端口（如上图所示）；

如使用C255，则TA2的1、3端子连接PLC的X3、X4端口。

运行前，须由数字操作器设置变频器参数F1-05，以决定正转时A、B两相脉冲那一相超前。设定值“0”的场合，意味着正转时A相输入在接通期间B相输入由断开变为接通，A、B的这种相位关系使计数器加计数。

通过上述设置，在电机正转时计数器自动加计数，反转时计数器自动减计数。由M8△△△的状态可以监视计数器的加减状态。

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