西门子模块6GK7243-1GX00-0XE0产品齐全

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1 概 述
在组合机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台（1）液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工工序中；（2）机械滑台，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）数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。可编程控制器（简称PLC）以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及CNC机床的S、T、M功能控制更显示出其卓越的性能。PLC控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低70~，甚至只占用自动线控制单元PLC的3~5个I/O接口及<1KB的内存。特别是大型自动线中可以使控制系统的成本显著下降。
2 PLC控制的数控滑台结构
一般组合机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用PLC控制的数控滑台由可编程控制器、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成，伺服传动机构中的齿轮Z1、Z2应该采取消隙措施，避免产生反向死区或使加工精度下降；而丝杠传动副则应该根据该单元的加工精度要求，确定是否选用滚珠丝杠副。采用滚珠丝杠副，具有传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优点，但成本较高且不能自锁。
3 数控滑台的PLC控制方法
数控滑台的控制因素主要有三个：
3.1 行程控制
一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器（行程开关/死挡铁）来实现；而数控滑台的行程则采用数字控制来实现。由数控滑台的结构可知，滑台的行程正比于步进电机的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。由步进电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数；因此可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数：
n= DL/d （1）
式中 DL——伺服机构的位移量（mm）
d ——伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）
3.2 进给速度控制
伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率;因此可以根据该工序要求的进给速度,确定其PLC输出的脉冲频率:
f=Vf/60d (Hz) (2)
式中 Vf——伺服机构的进给速度(mm/min)
3.3 进给方向控制
进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向;如三相步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A…时步进电机正转;当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A…顺序通电时步进电机反转。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。
4 PLC的软件控制逻辑
由滑台的PLC控制方法可知，应使步进电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。因此在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器；对于频率较低的控制脉冲，可以利用PLC中的定时器构成，如图2所示。脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器C10。当脉冲数达到设定值时，计数器C10动作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转，伺服执行机构定位。当伺服执行机构的位移速度要求较高时，可以用PLC中的高速脉冲发生器。不同的PLC其高速脉冲的频率可达4000~6000Hz。对于自动线上的一般伺服机构，其速度可以得到充分满足。
5 伺服控制、驱动及接口
5.1 步进电机控制系统的组成
步进电机的控制系统由可编程控制器、环行脉冲分配器和步进电机功率驱动器组成，控制系统中PLC用来产生控制脉冲；通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量；同时通过编程控制脉冲频率——既伺服机构的进给速度；环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环行分配器，也可以采用如图1所示的硬件环行分配器。采用软环占用的PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数M>4时，对于大型生产线应该予以充分考虑。采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC的I/O口点数，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动器将PLC输出的控制脉冲放大到几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力。一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几~几十伏特、几十~几百毫安。但对于功率步进电机则要求几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。
5.2 可编程控制器的接口
如伺服机构采用硬件环行分配器，则占用PLC的I/O口点数少于5点，一般仅为3点。其中I口占用一点，作为启动控制信号；O口占用2点，一点作为PLC的脉冲输出接口，接至伺服系统硬环的时钟脉冲输入端，另一点作为步进电机转向控制信号，接至硬环的相序分配控制端，如图3所示；伺服系统采用软件环行分配器时，

6 应用实例与结论
将PLC控制的开环伺服机构用于某大型生产线的数控滑台，每个滑台仅占用4个I/O接口，节省了CNC控制系统，其脉冲当量为0.01~0.05mm,进给速度为Vf=3~15m/min,完全满足工艺要求和加工精度要求

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。

    可编程控制器(Programmable Logic Controller，通常称PLC)是适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高的新一代通用工业控制装置。它能够完成较精确的位置控制。利用PLC控制步进电机，其脉冲分配可以由软件实现，也可由硬件组成。本文论述了采用硬件控制的方法。步进电机位置控制系统以三菱FX2N-nMT PLC为主控单元，以步进电机驱动器为驱动单元，以0.6°步距角的三相步进电机为执行单元。通过PI C控制脉冲的发生个数，从而控制步进电机的运转角度，实现对位置的精确控制。

1 步进电机PLC控制系统I／O接线图的设计

    以三相步进电机为例，步进电机通常设有加速、减速控制及正反转控制等控制方式。按控制要求可设计出步进电机的PLC控制系统I／O接图(见图1)。

图1 步进电机的PLC控制系统I／O接线图

图中：CP-脉冲信号输入端子；

CW-方向信号输入端子；

EN-使能信号输入端子。

2 步进电机脉冲频率的变化规律

    步进电机在启动和停止时有一个加速及减程，且加速速度越小则冲击越小，动作越平稳，所以步进电机工作一般要经历以下的变化过程：加速-恒速(高速)-减速-恒速(低速)-停止。因步进电机转速与脉冲频率成正比，所以输入步进电机的脉冲频率也要经历一个类似的变化过程，其变化规律见图2。

    可见在步进电机启动时要使脉冲升频，停车时使脉冲降频。

    由于步进电机驱动器在输入脉冲200 Hz时处于震荡区内，容易损坏内部元件，而在200 Hz以下运转速度较慢，效率较低，故一般采用350 Hz作为脉冲的低频起点。经测试，轻载时脉冲可达到6．8 kHz。

3 FX2N的部分指令简介

斜坡信号

预先将初值与目标写入数据寄存器D1、D2，启动后，D3内容从D1到D2慢慢变化，移动时间为N次扫描，传输完毕后M8029置ON。

脉冲输出

S1*频率，2～20 Hz执行中可更变。S2*发生脉冲。D*脉冲输出Y的号脉冲占空比为50 ，执行完毕M8029置ON,DPLSY 为32位指令

4 控制系统的部分程序指令

LD M800 //运行监视                                        SUB D2D5D7

SET M8039                                                        SET M30

MOV K4D8039 //设定恒定扫描周期为4秒 LD M30

LD X2 //正转                                                       RST M20

OR M10                                                               RAMP D9D4D10K40 //变频

ANI X3                                                                  RST M8029

OUT M10 //反转                                                  DPLSY D10D2Y0 //脉冲输出

LD X3                                                                   OUT C235D7 //监测降额起点

OR M11                                                                AND M8029

ANI X2                                                                   RST C235

RST Y1                                                                LD C235

OUT M11                                                             MOVP D4D9

MUI DOK8D2                                                      MOVP K350D4

SET Y2

SET M20

LD M20

MOVP K6500D4

MOVP K1100D5

5 结论

    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，可靠地实现各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作。它是一种先进的工业自动化设备，可广泛地在造纸、食品、包装以及其他轻工机械中得到应用。

步进电机是一种将脉冲信号变换成角位移的数字电磁执行装置。由于步进电机的转角、转速和转向均可采用数字量(脉冲)控制，故步进电机广泛应用于数字伺服领域。因为其角位移与输入脉冲个数成正比，转速与脉冲频率成正比，转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。步进电机的输入信号是由伺服系统中的传感器产生的。指令脉冲控制器决定于具体的伺服控制过程。可采用专用逻辑电路，目前多用单片微型计算机及接口电路组成。环形分配器是将输入的单一脉冲串按工作方式和转向分别依次向连接到步进电机各相绕组的功率放大器分配脉冲，以便形成旋转磁场。环形脉冲分配器多采用专用集成电路如CH250等构成。由此形成的各相的微弱信号经各相的功率放大器放大，产生足够的电磁转矩使电动机旋转。图中各部分的设计、选型、连接往往要求控制系统的设计者花费大量的精力和劳动。接口信号的匹配以及元器件的质量等对整个系统的可靠性影响很大。
本文提出一种用可编程序控制器(PLC)直接控制步进电机的方法。这条技术路线的优点是：大大减少系统设计的工作量，不存在各部分接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。整个控制系统由PLC和步进电机组成。作为一种工业控制计算机PLC的功能越来越强。不仅仅可用于开关逻辑控制，还可用于闭环过程控制，并可与其它计算机组成多级控制系统。有了PLC的强大功能的支持，各种不同控制系统的不同指令脉冲控制器的任务均可用PLC的不同控制程序来完成。对于环形脉冲分配器和功率放大器的功能则对PLC提出两个特性要求。一是在此应用的PLC*好是具有实时刷新技术的PLC，使输出信号的频率可以达到数千赫芝或更高。其目的是使环形脉冲分配能有较高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。二是PLC本身的输出端口应该采用大功率晶体管，以满足步进电机各相绕组数十伏脉冲电压、数安培脉冲电流的驱动要求。应该指出的是采用继电器或可控硅做输出端口的PLC，即使软件环形脉冲分配能达到高速要求，但由于输出端口器件难以高速导通和关断直流电源，不能向步进电机各相绕组提供驱动脉冲电流，故不能用于步进电机的PLC直接控制。对于满足一、二两个要求的PLC，如美国IPM公司的IP1612DC-220可编程序控制器，可以对步进电机进行直接控制。
系统将传感器测得的袋长误差信号由PLC的输入端口送入，根据误差与补偿的算法，由PLC的程序自动算出步进电机应补偿的转向与转角步数，并由环形分配程序通过输出端口Y9、Y10、Y11进行环形脉冲分配，从而控制接到步进电机三相绕组的48V直流电源的依次通、断，形成旋转磁场，使步进电机转动。步进电机的转动再经机械差速器叠加到主传动链中，使袋长误差得以补偿。由于步进电机是电感性负载，直流电阻很小，故接限流电阻以免脉冲电流过大损坏PLC端口，即Y9、Y10、Y11所对应的大功率晶体管。当Y9、Y10、Y11所对应的大功率晶体管按：Y9-Y9Y10-Y10-Y10Y11-Y11－Y11Y9-Y9……依次导通、断开时，步进电机正转。按：Y9-Y9Y11-Y11-Y11Y10-Y10-Y10Y9-Y9……依次导通、断开时，步进电机反转。即步进电机按三相六拍工作。每当步进电机走一步，环形脉冲分配程序的步数减一，当步数减为零时，停止环形脉冲分配，等待下一次测量误差的输入。
因此，采用PLC直接控制步进电机的误差补偿系统功能完善、灵活性大、可靠性高。特别是采用PLC直接控制步进电机的方法，不仅可以减少了系统设计的工作量，而且大大缩短开发研制周期，在一定范围内，具有较高的实用价值。