6ES7214-1AD23-0XB8安裝調試

   步進電機位移與輸入脈沖信號數相對應，精度高、響應特性好、可靠性高、速度可在較寬范圍內平滑調節，是控制系統中一種重要的自動化執行元件。
    SCM(Single Chip Microcomputer，單片機)是把組成微型計算機的中央處理器、存儲器、輸入輸出接口電路、定時器／計數器等制作在一塊集成電路芯片中，它具有小巧、低功耗、指令系統豐富等優點，成為工業控制的主角。
    PLC(Programmable Logic Controller，可編程序邏輯控制器)是以微型計算機為核心的一種工控機。其控制方案能事*行模擬調試，自身設計采用了冗余措施和容錯技術。由于PLC通用性強，編程操作方便，擴展靈活，可靠性高，應用幾乎覆蓋各個工業領域。
    步進電機的電脈沖信號若由SCM產生，就構成以SCM為核心的控制系統。若電脈沖信號由PLC產生，就構成以PLC為核心的控制系統。
1 步進電機驅動方式
    反應式步進電機頻率響應快、可雙向旋轉、定位準確、起停速度快，因而使用多，具有代表性。三相反應式步進電機定子有6個等間隔的磁極，線圈繞過相互正對的兩個磁極構成一相，共有A—A、B—B和C—C三相。根據步進電機的工作原理，若按順序給步進電機的繞組施加有序的脈沖電流即可控制步進電機的轉動，從而進行數字到角度的轉換。轉動的角度大小與施加的脈沖數成正比，轉動的速度與脈沖頻率成正比，而轉動的方向則與脈沖的順序有關。
    從一相通電轉到另一相通電稱為一拍，對三相反應式步進電機來說，若按A→B→C→A順序通電，則稱為單相三拍運行方式。若按A→AB→B→BC→C→C→A→A順序通電，則稱為三相六拍運行方式。若按AB→BC→CA→AB順序通電，則稱為雙相三拍運行方式。一般數字電路的信號能量遠遠不足以驅動步進電機，必須要有一個與之匹配的驅動電路來驅動步進電機。驅動電路不僅應該包含由功率開關器件構成的驅動主電路，還應包含一個邏輯單元，在輸入脈沖序列的作用下輸出定子繞組通電狀態，控制主電路功率開關器件的導通與關斷。典型的驅動電路主要有全電壓，恒流斬渡，升頻升壓等形式。
2 基于SCM的步進電機控制方法
    2.1 控制原理
    SCM的P1口作為輸出口，P1.0，P1.1，P1.2分別輸出控制脈沖，通過7406驅動脈沖功率放大級的達林頓復合管，再分別控制三相步進電機的A、B、C三相。根據P1口輸出控制信號的狀態，即可實現對步進電機的正反轉控制。
    步進電機工作在三相六拍時的控制字。從中可以看出，步進電機第一個控制字數據為01H，從上到下輸出控制字時，電機正轉，自下而上輸出控制字數據時，電機反轉。步進電機運行一拍的時間決定了步進電機的轉速。在輸出一個控制字后加入一定的延時時間，即可控制步進電機的轉速

    2.2 控制程序
    設SCM工作寄存器R3中存放了步進電機要走的步數，轉向標志存放在程序狀態寄存器用戶標志位F1(D5H)中，當F1為“0”時步進電機正轉，F1為“1”時步進電機反轉。正轉控制字存放在片內數據存儲器20H～25H中，26H中存放結束標志00H。在27H開始的存儲區存放反轉控制字，在2DH單元存放結束標志00H。SCM可以采用程序延時和定時器延時。下面利用定時器延時，以中斷方式輸出控制脈沖。
3 基于PLC的步進電機控制方法
 
    本文以OMRON的CQM1型機為例，分析通過PLC的軟件設計來實現步進電機的脈沖分配。
    由移位寄存器SFT(10)指令循環輸出實現脈沖分配，步進電機工作在三相六拍時的狀態由內部輔助寄存器IR016的00～05繼電器控制，為實現循環控制，由第6位信號01605作為反饋信號接到SFT的數據輸入端IN。SFT的移位脈沖輸入端CP可由PLC內部高速定時器通過編程實現，本設計中為方便起見。采用了內部特殊繼電器SR25500。SFT的復位輸入端R接步進電機停止信號，該端為ON時，數據通道IR016的所有位置0，并且不接受數據輸入。
    IR016與步進電機通電繞組的對應關系，在步進電機正轉時，當移位數據信號移到時。移位寄存器SFT01600的輸出應接通步進電機的A相；移到第二位時，應接通A相和B相；其余如此類推。以A相繞組為例，當輔助繼電器01600、01601、01605中任一個接通時(并聯關系)，A相通電。移位寄存器每一位的輸出信號先驅動與步進電機各相對應的輸出繼電器，再由輸出繼電器通過功率放大器驅動步進電機。

工作過程簡單描述如下：由輸入端00000得電發出啟動信號，前沿微分指令DIFU(13)保證移位寄存器SFT(10)指令中移位數據初始信號01600的性。移位寄存器在移位脈沖的作用下順序左移，實現6位脈沖分配，由輸出繼電器10000、10001、10002分別去接通步進電機的A、B、C三相。步進電機轉速可由移位寄存器SFT的脈沖輸入端控制，轉向由繼電器02603控制。當輸入端00001無效時，KEEP(11)指令的置位端02600保證02603得電且保持該狀態，電機正轉；當00001為ON時，KEEP(11)指令的復位端02601使02603失電而恢復原狀態，電機反轉。

4 結束語
    比較步進電機的SCM和PLC的控制方法可知。SCM采用定時器延時，以中斷方式輸出控制脈沖；PLC采用移位指令和內部特殊繼電器，以循環順序掃描方式輸出控制脈沖。SCM采用匯編語言(或C語言)編程，其指令系統的同有格式受硬件結構的限制很大，編寫和調試要求具備一定語言程序設計基礎；而編寫PLC程序，即可以采用語句表(助記符)，又可以采用梯形圖，梯形圖簡單易懂，通過圖形編程器容易實現。SCM控制系統設計周期長，一般需要程序擴展，硬件方面需要經過印刷電路板設計等過程；PLC控制系統采用模塊化結構，可在線修改控制程序，并實現實時監控，因而設計周期短。PLC系統擴展靈活，可以在原有控制系統基礎上進行功能擴展，能有效降低成本，適應于復雜的工業控制環境。
    用SCM和PLC來實現步進電機控制脈沖的產生和分配，可以通過編程在一定范圍內自由地設定步進電機的轉速，而且還可以靈活地控制步進電機的運行狀態。這兩種控制方式都不需要反饋就能對位置或速度進行控制，且位置誤差不會積累；用軟件編程代替硬件控制，不僅減少了系統設計的工作量，而且提高了控制系統的可靠性

 1  概  述

在組合機床自動線中，一般根據不同的加工精度要求設置三種滑臺（1）液壓滑臺，用于切削量大，加工精度要求較低的粗加工工序中；（2）機械滑臺，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）數控滑臺，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。可編程控制器（簡稱PLC）以其通用性強、可靠性高、指令系統簡單、編程簡便易學、易于掌握、體積小、維修工作少、現場接口安裝方便等一系列優點，被廣泛應用于工業自動控制中。特別是在組合機床自動生產線的控制及CNC機床的S、T、M功能控制更顯示出其的性能。PLC控制的步進電機開環伺服機構應用于組合機床自動生產線上的數控滑臺控制，可省去該單元的數控系統使該單元的控制系統成本降低70~90%，甚至只占用自動線控制單元PLC的3~5個I/O接口及<1KB的內存。特別是大型自動線中可以使控制系統的成本顯著下降。

2  PLC控制的數控滑臺結構

一般組合機床自動線中的數控滑臺采用步進電機驅動的開環伺服機構。采用PLC控制的數控滑臺由可編程控制器、環行脈沖分配器、步進電機驅動器、步進電機和伺服傳動機構等部分組成，伺服傳動機構中的齒輪Z1、Z2應該采取消隙措施，避免產生反向死區或使加工精度下降；而絲杠傳動副則應該根據該單元的加工精度要求，確定是否選用滾珠絲杠副。采用滾珠絲杠副，具有傳動效率高、系統剛度好、傳動精度高、使用壽命長的優點，但成本較高且不能自鎖。   

3  數控滑臺的PLC控制方法

數控滑臺的控制因素主要有三個：

3.1  行程控制

一般液壓滑臺和機械滑臺的行程控制是利用位置或壓力傳感器（行程開關/死擋鐵）來實現；而數控滑臺的行程則采用數字控制來實現。由數控滑臺的結構可知，滑臺的行程正比于步進電機的總轉角，因此只要控制步進電機的總轉角即可。由步進電機的工作原理和特性可知步進電機的總轉角正比于所輸入的控制脈沖個數；因此可以根據伺服機構的位移量確定PLC輸出的脈沖個數：

                      n= DL/d                      （1）

式中 DL——伺服機構的位移量（mm）

d ——伺服機構的脈沖當量（mm/脈沖）

3.2  進給速度控制

伺服機構的進給速度取決于步進電機的轉速，而步進電機的轉速取決于輸入的脈沖頻率;因此可以根據該工序要求的進給速度,確定其PLC輸出的脈沖頻率:

f=Vf/60d   (Hz)                  (2) 

式中 Vf——伺服機構的進給速度(mm/min)

3.3  進給方向控制

進給方向控制即步進電機的轉向控制。步進電機的轉向可以通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變其轉向;如三相步進電機通電順序為A-AB-B-BC-C-CA-A…時步進電機正轉;當繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A…順序通電時步進電機反轉。因此可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環行分配器的輸出順序來實現，或經編程改變輸出脈沖的順序來改變步進電機繞組的通電順序實現。

4  PLC的軟件控制邏輯

由滑臺的PLC控制方法可知，應使步進電機的輸入脈沖總數和脈沖頻率受到相應的控制。因此在控制軟件上設置一個脈沖總數和脈沖頻率可控的脈沖信號發生器；對于頻率較低的控制脈沖，可以利用PLC中的定時器構成，如圖2所示。脈沖頻率可以通過定時器的定時常數控制脈沖周期，脈沖總數控制則可以設置一脈沖計數器C10。當脈沖數達到設定值時，計數器C10動作切斷脈沖發生器回路，使其停止工作。伺服機構的步進電機無脈沖輸入時便停止運轉，伺服執行機構定位。當伺服執行機構的位移速度要求較高時，可以用PLC中的高速脈沖發生器。不同的PLC其高速脈沖的頻率可達4000~6000Hz。對于自動線上的一般伺服機構，其速度可以得到充分滿足。

5  伺服控制、驅動及接口

5.1  步進電機控制系統的組成

步進電機的控制系統由可編程控制器、環行脈沖分配器和步進電機功率驅動器組成，控制系統中PLC用來產生控制脈沖；通過PLC編程輸出一定數量的方波脈沖，控制步進電機的轉角進而控制伺服機構的進給量；同時通過編程控制脈沖頻率——既伺服機構的進給速度；環行脈沖分配器將可編程控制器輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應的繞組。PLC控制的步進電機可以采用軟件環行分配器，也可以采用如圖1所示的硬件環行分配器。采用軟環占用的PLC資源較多，特別是步進電機繞組相數M>4時，對于大型生產線應該予以充分考慮。采用硬件環行分配器，雖然硬件結構稍微復雜些，但可以節省占用PLC的I/O口點數，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅動器將PLC輸出的控制脈沖放大到幾十~上百伏特、幾安~十幾安的驅動能力。一般PLC的輸出接口具有一定的驅動能力，而通常的晶體管直流輸出接口的負載能力僅為十幾~幾十伏特、幾十~幾百毫安。但對于功率步進電機則要求幾十~上百伏特、幾安~十幾安的驅動能力，因此應該采用驅動器對輸出脈沖進行放大。

5.2  可編程控制器的接口

如伺服機構采用硬件環行分配器，則占用PLC的I/O口點數少于5點，一般僅為3點。其中I口占用一點，作為啟動控制信號；O口占用2點，一點作為PLC的脈沖輸出接口，接至伺服系統硬環的時鐘脈沖輸入端，另一點作為步進電機轉向控制信號，接至硬環的相序分配控制端，如圖3所示；伺服系統采用軟件環行分配器時，

6  應用實例與結論

將PLC控制的開環伺服機構用于某大型生產線的數控滑臺，每個滑臺僅占用4個I/O接口，節省了CNC控制系統，其脈沖當量為0.01~0.05mm,進給速度為Vf=3~15m/min,工藝要求和加工精度要求