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步進(jìn)電機(jī)、脈沖與方向信號(hào)
步進(jìn)電機(jī)作為一種常用的電氣執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)需要配備一個(gè)專門的驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源的輸出受外部的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)控制。每一個(gè)脈沖信號(hào)可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度稱為步距角。脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率決定了旋轉(zhuǎn)的速度。方向信號(hào)決定了旋轉(zhuǎn)的方向。就一個(gè)傳動(dòng)速比確定的具體設(shè)備而言，無需距離、速度信號(hào)反饋環(huán)，只需控制脈沖的數(shù)量和頻率即可控制設(shè)備移動(dòng)部件的移動(dòng)距離和速度；而方向信號(hào)可控制移動(dòng)的方向。因此，對(duì)于那些控制精度要求不是很高的應(yīng)用場(chǎng)合，用開環(huán)方式控制是一種較為簡(jiǎn)單而又經(jīng)濟(jì)的電氣控制技術(shù)方案。
另外，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分運(yùn)轉(zhuǎn)方式非常實(shí)用，盡管其步距角受到機(jī)械制造的限制，不能制作得很小，但可以通過電氣控制的方式使步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)由原來的每個(gè)整步分成m個(gè)小步來完成，以提高設(shè)備運(yùn)行的精度和平穩(wěn)性。
控制步進(jìn)電機(jī)電源的脈沖與方向信號(hào)源常用數(shù)控系統(tǒng)，但對(duì)于一些在運(yùn)行過程中移動(dòng)距離和速度均確定的具體設(shè)備，采用PLC（可編程控制器）是一種理想的技術(shù)方案。
控制方案
在操作面板上設(shè)定移動(dòng)距離、速度和方向，通過PLC的運(yùn)算產(chǎn)生脈沖、方向信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，達(dá)到對(duì)距離、速度、方向控制的目的，見圖1。操作面板上的位置旋鈕控制移動(dòng)的距離，速度旋鈕控制移動(dòng)的速度，方向按鈕控制移動(dòng)的方向，啟/停按鈕控制電機(jī)的啟動(dòng)與停止。
在實(shí)際系統(tǒng)中，位置與速度往往需要分成幾擋，故位置、速度旋鈕可選用波段開關(guān)，通過對(duì)波段開關(guān)的不同跳線進(jìn)行編碼，可減少操作面板與PLC的連線數(shù)量，同時(shí)也減少了PLC的輸入點(diǎn)數(shù)，節(jié)省了成本。一個(gè)n刀波段開關(guān)的zui多擋位可達(dá)到2n。
在對(duì)PLC選型前，應(yīng)根據(jù)下式計(jì)算系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量、脈沖頻率上限和zui大脈沖數(shù)量。
根據(jù)脈沖頻率可以確定PLC高速脈沖輸出時(shí)需要的頻率，根據(jù)脈沖數(shù)量可以確定PLC的位寬。同時(shí)，考慮到系統(tǒng)響應(yīng)的及時(shí)性、可靠性和使用壽命，PLC應(yīng)選擇晶體管輸出型。
步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)的選擇以避開電機(jī)的共振頻率為原則，一般可選擇2、5、10、25細(xì)分。
編制PLC控制程序時(shí)應(yīng)將傳動(dòng)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量、反向間隙、步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)定義為參數(shù)變量，以便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。
應(yīng)用實(shí)例
筆者應(yīng)用PLC脈沖控制步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)上引法無氧銅管的設(shè)備進(jìn)行了電氣控制。
上引法無氧銅管的生產(chǎn)過程是：將電解銅加入工頻感應(yīng)爐，使其熔化成銅液，在銅液中浸入1個(gè)通有冷卻水的結(jié)晶器，流入結(jié)晶器的銅液經(jīng)過0.5～3s后，便結(jié)晶成了固態(tài)銅管。然后，一邊由引棒將固態(tài)銅管從結(jié)晶器中導(dǎo)出，一邊重復(fù)上述結(jié)晶過程，慢慢地將固態(tài)銅管牽引至摩擦壓輪，以后根據(jù)工藝間隔時(shí)間由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)摩擦壓輪，將固態(tài)銅管*地從結(jié)晶器中牽引出來。牽引出來的銅管依次進(jìn)入校直、軋管、盤管、冷拉等工序，生產(chǎn)出不同規(guī)格的自來水管或空調(diào)、冰箱的熱交換器用銅管。
設(shè)備應(yīng)滿足如下的生產(chǎn)工藝要求：
引管距離6擋/（mm·次-1）：2、2.5、3、3.5、4、5；
引管速度7擋/（mm·min-1）：115、130、140、150、160、170、180；
牽引與結(jié)晶時(shí)間比：1∶1；
引管方式：間歇式；
牽引方向：不變；
設(shè)備運(yùn)行：連續(xù)。
可見，距離開關(guān)為6擋，速度開關(guān)為7擋，組合后共有42種牽引方式。根據(jù)計(jì)算，距離、速度信號(hào)各需3個(gè)輸入點(diǎn)就能達(dá)到設(shè)定的擋數(shù)要求，啟/停按鈕需1個(gè)輸入點(diǎn)。根據(jù)工藝要求，牽引方向不變，故操作面板上不設(shè)置方向按鈕，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向不通過PLC來控制，而是采用直接跳線來完成設(shè)置。脈沖信號(hào)需1個(gè)輸出點(diǎn)，信號(hào)燈需2個(gè)輸出點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)采用25細(xì)分工作模式，以避開電機(jī)的共振頻率區(qū)。PLC選用了具有8個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)、6個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)的SIEMENS公司生產(chǎn)的SIMATIC S7-200 CPU 222。另外，在控制程序中用多段管線操作設(shè)計(jì)了電機(jī)的升降過程，以滿足大負(fù)載啟動(dòng)的要求。
電氣控制原理
制作時(shí)，首先將面板上的距離、速度波段開關(guān)按圖2進(jìn)行跳線，完成二進(jìn)制編碼，這樣節(jié)省了7個(gè)PLC輸入點(diǎn)，簡(jiǎn)化了連接，提高了系統(tǒng)可靠性，同時(shí)也降低了設(shè)備的制造成本；然后將各波段開關(guān)、按鈕的輸出與PLC相連。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，PLC根據(jù)操作面板上各開關(guān)的設(shè)定位置，由控制程序產(chǎn)生某一頻率和數(shù)量的高速脈沖，并將其輸出至PCB，由PCB完成電平轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的電平信號(hào)送至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，拖動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的速度旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，zui終達(dá)到控制距離和速度的目的。
結(jié)論
該設(shè)備經(jīng)3個(gè)多月的運(yùn)行考核，證明將PLC脈沖控制步進(jìn)電機(jī)技術(shù)應(yīng)用于中、小功率牽引設(shè)備中，具有控制簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、成本低等特點(diǎn)，是一種切實(shí)可行的電氣控制方案。
