基于PLC的梳棉机步进电机控制系统

1  引言
    
随着纺机装备技术进步，步进与伺服电机运动控制系统的应用越来越广泛，其功能多样性和产品可靠性日臻完善，正在逐步取代原来的普通电机。而且随着可编程控制器技术的日益成熟，将二者完整地结合起来，完成对各种复杂运动的自动控制，实行机电一体化，正在成为一种趋势。步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比,
    
其速度与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率) 成正比, 其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序, 便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。步进电机具有较好的控制性能, 其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成, 且可获得较高的控制精度, 因而得到了广泛的应用。
            
2  步进电机脉冲分配器
    
在可编程控制器plc的应用中，步进电机是常见的被控制对象。步进电机是一种数字控制元件，直接接收脉冲信号，它旋转的角度和转速分别与输入的脉冲数和频率成正比，因此只要控制输入到其线圈绕组中的脉冲数和脉冲频率就可控制步进电机的转动角度和转速，但是输入的脉冲还需要经过脉冲分配器分配给步进电机的各个绕组。用plc控制步进电机，脉冲分配器的设计是一个很重要和非常灵活的问题，它可以用硬件组成，也可以用软件组成，本文以松下fp0-c16t plc为例，讨论几种实现步进电机脉冲分配器的方法。


图1  控制原理接线图
   
用硬件实现步进电机脉冲分配器控制原理接线图如图1所示。由于脉冲分配器是由硬件实现，fp0-c16t只需提供一串脉冲，而fp0系列的plc具有脉冲输出功能和高速计数器(hsc)功能，因此利用此功能进行控制步进电机非常方便。


图2  控制梯形图
   
fp0系列各型号的plc的输出端y0或y1都具有脉冲输出功能，其输出脉冲的最大频率为10khz。具体输出脉冲频率可以用软件编程，y0或y1输出的脉冲经脉冲分配器把脉冲分配给步进电机的各相绕组，同时y0或y1接至pulse的输入接点；当达到顶定值时发生中断，使y0或y1的脉冲频率切换至下一参数。y2或y3是方向控制信号。vcc值为5v时，r短路；vcc值为12v时，r＝1kq(≥1/8w)；vcc值为24v时，r=2kq(≥1/8w)。图2是实现这一控制的梯形图。dt100～dt106是存放输出脉冲频率和个数的通用寄存器，梯形图中所给参数是输出脉冲初始频率为500hz，最高频率为5000hz，脉冲个数为10000。[page]

3  软件步进电机脉冲分配器设计
    
3.1 电原理设计

                                                                  
图3  硬件接线图

图3是用软件实现步进电机脉冲分配器plc与步进电机的硬件接线图。步进电机以最常见的三相六拍通电方式工作。k0、k1、k2分别是正转、反转及停止控制开关，分别接在plc的输入继电器x0、xl和x2上;plc的输出继电器y0、y1和y2分别接步进电机的三相绕组a、b、c。软件实现脉冲分配的方法很多，这里讨论三种实现方案。
　　
3.2 软件实现方案之一


                                                           
图4  软件方案1梯形图
   
梯形图如图4所示。步进电机是以相六拍通电方式工作，即三相绕组的通电顺序是：
   
正转：a－ab－b－bc－c－ca  反转：a－ac－c－cb－b－ba

该方案中，时钟可以用plc中的定时器设计一个时钟发生器，也可以使用plc中的内部0.01s、0.02s、0.1s、0.2s、1s、2s时钟，它们分别由plc中的特殊内部继电器r9018、r9019、r901a、r901b、r901c、r901d产生，为了方便、在此使用plc中的特殊内部继电器r901a 0.1s脉冲继电器作为控制时钟。继电器r0和r1分别在正反转接通；16位移位寄存器(继电器)wr1产生正反转的六个节拍，用移位寄存器的各触点r10～r15与r0、r1进行组合,使输出继电器y0、y1、y2按上述正反转的顺序通电。
    
3.3 软件实现方案之二
 

图5  软件方案2梯形图
   
梯形图如图5所示。该方案中，开关x0、x1作为正反转启动控制，k2作为停止。时钟仍然使用plc中的特殊内部继电器901a 0.1s脉冲继电器作为控制时钟。使用一个16位移位寄存器(继电器)wr1，产生正反转所需的六个节拍，用位移位寄存器(继电器)的触点r10-15和正反转控制继电器r0-r1的触点进行组合，并利用plc中的高级数据传输指令．把所需的控制字(见附表)直接输出到plc的输出端，使输出继电器y0、y1、y2按上述正反转的顺序通电。[page]

    
3.4 软件实现方之三
  

图6  软件方案3梯形图
   
梯形图如图6所示。控制开关的作用和时钟仍然如方案二所述。在该方案中，利用r9013运行初期0n脉冲继电器，开机时把输出控制字送到plc的通用数据寄存器dt0～dt7中,根据正反转控制要求把plc中的检索寄存器ix(置初值(正转置0或反转置5)作为输出控制字的初始指针；利用[f0 mv ,ixdt0,
wy0]指令，把所需的控制字直接输出到plc的输出端，之后修改ix的值，使输出继电器y0、y1、y2按上述正反转的顺序通电。r900b是比较相等标志。
            
4  应用案例

图7  国产梳棉机电气系统框图

 
基于硬件实现方案设计了一套步进电机控制系统，成功用于国产梳棉机的电控系统的改造上。其电控系统原理框图如图7所示。该电气控制系统通过plc控制步进电机解决了国产梳棉机继电器控制系统复杂，可靠性不高，控制精度不够，故障点多，布线繁杂等难点，可以按梳棉机的工艺要求方便地控制梳棉机，还可以根据所纺纤维种类和对产品质量要求确定梳棉机的电气参数，包括锡林和道夫的启动时间以及它们的转速等。另外，该系统具有性能可靠，控制精度高、操作简单、运行平稳、无噪音等优点，提高了梳棉机的机电一体化程度，完全能满足用户的使用要求。
            
5  结束语
    
利用可编程控制器可方便地实现对电机的速度和位置进行控制，能够可靠地实现步进电机的操作，完成各种复杂的动作。基于plc控制步进电机的控制系统方案在国产梳理机上的应用，提高了梳棉机的机电一体化水平，更为重要的是为提高棉纺全流程运行的稳定性、可靠性奠定了基础，保证了全流程连续、同步、平稳运行，使输出毛条长片段、起长片段、甚至短片段的均匀度都能稳定在一定范围内，从而保证了成纱质量的稳定性。基于plc控制步进电机的控制系统在国产梳理机上的成功证明，该机所采用的控制系统，完全可以应用于其它国产传统纺织设备的改造当中，对国内纺织厂进行国产设备改造升级具有很好的参考价值。