一種基于PLC的專(zhuān)用步進(jìn)電機(jī)控制器

1 引言
某進(jìn)口設(shè)備大面積的嚴(yán)重?fù)p壞。經(jīng)過(guò)修理，更換了一大批電子元件，才勉強(qiáng)恢復(fù)原有的技術(shù)指標(biāo)。但其工作已不是很可靠。由于該設(shè)備已停產(chǎn)，并且沒(méi)有相關(guān)的代替設(shè)備.為配合生產(chǎn)需要，我們投入了對(duì)該設(shè)備的研制。原設(shè)備完全由晶體管電路構(gòu)成，考慮到研制周期及可靠性等因素。我們決定采用PLC(Fx2N-32T)和觸摸屏(MT506S)控制技術(shù)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 功能概述
該設(shè)備實(shí)質(zhì)上就是一臺(tái)專(zhuān)用的測(cè)控步進(jìn)電機(jī)裝置的設(shè)備。步進(jìn)電機(jī)裝置由步進(jìn)電機(jī)及其相關(guān)電路組成。該設(shè)備功能包括:距離(工作步數(shù))設(shè)定、啟動(dòng)、位置顯示及清零，(自動(dòng)、手動(dòng))連續(xù)或單次運(yùn)行，(自動(dòng)、手動(dòng))回原點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)欠電流檢測(cè)報(bào)警，原點(diǎn)到位顯示等。

3 裝置原理介紹
3.1 系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)工作原理如圖1所示。圖中觸摸屏作為人機(jī)界面,用來(lái)顯示并進(jìn)行操作;PLC作為控制器,接收觸摸屏的設(shè)定數(shù)據(jù)并進(jìn)行邏輯處理,再控制步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)裝置是受控對(duì)象，不能進(jìn)行修改。它包括多種電源形式:步進(jìn)電機(jī)工作在－24V三相雙三拍直流矩形波的供電方式，還包括＋12V、－12V、+5V等電壓和極性不同的信號(hào)。為了使多種信號(hào)的檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)裝置相匹配，增加了信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

3.2 轉(zhuǎn)換電路原理
信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的部分電路，如圖2，3所示。
圖2中,當(dāng)5V或0V信號(hào)到達(dá)電阻R1后，通過(guò)光電耦合器使PLC輸入1信號(hào)接通，此時(shí)電機(jī)回原點(diǎn)運(yùn)行的過(guò)程中開(kāi)始計(jì)數(shù),記錄運(yùn)行步數(shù)。當(dāng)+12V信號(hào)到達(dá)“±12V信號(hào)”后, 首先點(diǎn)亮發(fā)光管D6，然后通過(guò)光電耦合器U1-3使PLC輸入3接通，指示到達(dá)原點(diǎn)，電機(jī)停止運(yùn)行;當(dāng)-12V信號(hào)到達(dá)“±12V信號(hào)”后,通過(guò)光電耦合器U1-2使PLC輸入2接通，超出設(shè)定極限。當(dāng)-12V信號(hào)到達(dá)“-12V信號(hào)2”通過(guò)光電耦合器U1-3使PLC輸入接通，指示到達(dá)原點(diǎn)，電機(jī)停止運(yùn)行。

圖2 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.3 電流檢測(cè)原理
在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，內(nèi)置了電流檢測(cè)電路。電機(jī)發(fā)生斷電或欠電流運(yùn)行時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，使系統(tǒng)停止運(yùn)行。檢測(cè)原理是利用三相雙三拍步進(jìn)電機(jī)的工作特性，在任意時(shí)刻均有兩相得電。只要檢測(cè)任意時(shí)刻流過(guò)公共地線(xiàn)的電流大于相應(yīng)額定電流的2/3即可認(rèn)為工作正常，如小于相應(yīng)額定電流的2/3，則認(rèn)為欠電流運(yùn)行。電路原理和時(shí)序圖，如圖3，4所示。
圖3中，R是電流檢測(cè)電阻，C用于消除競(jìng)爭(zhēng)。在圖4中IN表示三相雙三拍電機(jī)流過(guò)公共點(diǎn)電流檢測(cè)電阻的額定工作電流;In表示檢測(cè)電流的門(mén)限，In=2/3IN;I表示電機(jī)的實(shí)際工作電流。ALM表示欠電流報(bào)警。系統(tǒng)運(yùn)行后，當(dāng)I≥In時(shí)，ALM報(bào)警，直到故障排除，系統(tǒng)復(fù)位后報(bào)警解除。圖4中的細(xì)實(shí)線(xiàn)表示ALM未報(bào)警時(shí)的時(shí)序圖。

圖4 電流波形圖

3.4 觸摸屏的軟件設(shè)計(jì)
(1) 首頁(yè):打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)后，提示輸入登錄密碼。正確輸入密碼后，自動(dòng)進(jìn)入首頁(yè)。設(shè)備進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。
(2) 輸入窗口:輸入窗口主要用于設(shè)定并進(jìn)行操作。包括鍵盤(pán)和主要操作控件，操作者可以直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。
(3) 配方數(shù)據(jù)窗口:對(duì)于經(jīng)常用到的操作數(shù)據(jù)，可以按照提供的格式存放到配方卡記憶體里面,當(dāng)需要時(shí)把它調(diào)出來(lái)，而不需要臨時(shí)輸入數(shù)據(jù)，可以大大地提高操作效率。
(4) 控制窗口:控制窗口主要用于對(duì)設(shè)備的基本功能的操作和顯示。包括一個(gè)隱藏的小鍵盤(pán)窗口，可以在需要設(shè)定數(shù)據(jù)時(shí)彈出。
(5) 元件檢查窗口:用于對(duì)PLC內(nèi)部關(guān)鍵元件的監(jiān)測(cè)，以便出錯(cuò)時(shí)查找故障。
(6) 梯形圖檢查窗口:用于對(duì)PLC梯形圖的實(shí)時(shí)監(jiān)控(由于MT506S不具備直接顯示PLC內(nèi)部梯形圖的功能，故采用了單獨(dú)制作顯示PLC各元件的方法組合成關(guān)鍵部分梯形圖)。
3.5 PLC的軟件設(shè)計(jì)
PLC程序流程圖如圖5所示。
系統(tǒng)初始化后,完成了距離設(shè)定,選擇運(yùn)行方式后.再看系統(tǒng)是否有故障或是否到達(dá)原點(diǎn)。當(dāng)完全準(zhǔn)備妥后，分別執(zhí)行自動(dòng)或手動(dòng)操作。在按設(shè)定距離執(zhí)行自動(dòng)往返運(yùn)行的過(guò)程中，當(dāng)中間執(zhí)行斷開(kāi)操作后，系統(tǒng)保持運(yùn)行方向，運(yùn)行到設(shè)定距離，保持顯示，然后停止運(yùn)行;當(dāng)執(zhí)行復(fù)位操作后，系統(tǒng)首先運(yùn)行顯示歸零(計(jì)數(shù)清零)，然后停止運(yùn)行。在執(zhí)行手動(dòng)運(yùn)行中，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定距離后，系統(tǒng)保持顯示，并停止運(yùn)行;當(dāng)運(yùn)行中執(zhí)行斷開(kāi)操作，方向不變，到達(dá)設(shè)定距離后，系統(tǒng)保持顯示并停止運(yùn)行;當(dāng)執(zhí)行復(fù)位操作，則運(yùn)行顯示歸零(計(jì)數(shù)清零)，然后停止運(yùn)行。

圖5 PLC程序流程框圖

4 結(jié)束語(yǔ)
控制器采用觸摸屏和PLC來(lái)實(shí)現(xiàn),縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了運(yùn)行的可靠性，尤其適合此類(lèi)要求工程周期短，可靠性高，批量小的設(shè)備開(kāi)發(fā)。另外，軟件的靈活性還有利于設(shè)備的改造和升級(jí)。