步进电机PLC控制方式

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PLC简介
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC）取代传统继电器控制装置以来,PLC得到了快速发展,在世界各地得到了广泛应用.同时,PLC的功能也不断完善.随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高,PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能.今天的PLC不再局限于逻辑控制,在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用.
作为离散控的制的首选产品,PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展,世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%.随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大,近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓.但是,在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速.综合相关资料,2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右,在自动化领域占据着十分重要的位置.
PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的,二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制,首先应用的是汽车制造行业.它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作,来控制各类机械或生产过程.用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求,并事先存入PLC的用户程序存储器中.运行时按存储程序的内容逐条执行,以完成工艺流程要求的操作.PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器,在程序运行过程中,每执行一步该计数器自动加1,程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令）,然后再返回起始步循环运算.PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期.不同型号的PLC,循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间.PLC用梯形图编程,在解算逻辑方面,表现出快速的优点,在微秒量级,解算1K逻辑程序不到1毫秒.它把所有的输入都当成开关量来处理,16位（也有32位的）为一个模拟量.大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算.把计算结果送给PLC的控制器.
相同I/O点数的系统,用PLC比用DCS,其成本要低一些（大约能省40%左右）.PLC没有专用操作站,它用的软件和硬件都是通用的,所以维护成本比DCS要低很多.一个PLC的控制器,可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）.如果被控对象主要是设备连锁、回路很少,采用PLC较为合适.PLC由于采用通用监控软件,在设计企业的管理信息系统方面,要容易一些.
近10年来,随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大,越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制,PLC在我国的应用增长十分迅速.随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高,今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头.
通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器,但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性.实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器,现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器.
1.2 PLC内部原理
PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机,其硬件结构和微机是基本一至.如图2.1a PLC硬件的基本结构图所示：

1-1a PLC硬件的基本结构图
（1）中央处理单元（CPU）：
中央处理单元（CPU）是PLC 的控制中枢.它按照PLC系统程序赋予的功能,接受并存储从编程器键入的用户程序和数据,检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能检查用户程序的语法错误.当PLC投入运行时,首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区, 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算等任务.并将逻辑或算术运算等结果送入I/O映象区或数据寄存器内.等所有的用户程序执行完毕以后,最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,如此循环运行,直到停止运行为止.
（2）存储器：
与微型计算机一样,除了硬件以外,还必须有软件.才能构成一台完整的PLC.PLC的软件分为两部分: 系统软件和应用软件.存放系统软件的存储器称为系统程序存储器.
PLC存储空间的分配：虽然大、中、小型 PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同,但是根据PLC的工作原理, 其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区,系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）和用户程序存储区.
系统程序存储区：
在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序.它包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等.由制造厂商将其固化在EPROM中,用户不能够直接存取.它和硬件一起决定了该PLC的各项功能.
系统RAM存储区：
系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备（例如：逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）存储区.
I/O映象区：
由于PLC投入运行后,只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据,在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设.因此,它需要有一定数量的存储单元（RAM）以供存放I/O的状态和数据,这些存储单元称作I/O映象区.一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit）, 一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit).因此,整个I/O映象区可看作由开关量的I/O映象区和模拟量的I/O映象区两部分组成.
系统软设备存储区：
除了I/O映象区以外,系统 RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）的存储区.该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域,前者在PLC断电时,由内部的锂电子供电.使这部分存储单元内的数据得以保留；后者当PLC停止运行时,将这部分存储单元内的数据全部置“零”.
用户程序存储区 ：
用户程序存储区存放用户编制的用户程序.不同类型的PLC其存储容量各不相同,一般来说,随着PLC机型增大其存储容量也相应增大.不过对于新型的PLC,其存储容量可根据用户的需要而改变.
常用的I/O分类如下：
开关量：按电压水平分,有220VAC、110VAC、24VDC,按隔离方式分,有继电器隔离和晶体管隔离.
模拟量：按信号类型分,有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等,按精度分,有12bit,14bit,16bit等.
除了上述通用I/O外,还有特殊I/O模块,如热电阻、热电偶、脉冲等模块.
按I/O点数确定模块规格及数量,I/O模块可多可少,但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力,即受最大的底板或机架槽数限制.
（3）PLC电源：
PLC电源在整个系统中起着十分重要的作用.无论是小型的PLC,还是中、大型的PLC,其电源的性能都是一样的,均能对PLC内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源.一般交流电压波动在正负10%（15%）之间,因此可以直接将PLC接入到交流电网上去.
可编程序控制器一般使用220V交流电源.可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压.某些可编程序控制器可以为输入电路和少量的外部电子检测装置（如接近开关）提供24V直流电源.驱动现场执行机构的电源一般由用户提供.
可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的,它的梯形图程序与继电器系统电路图相似,梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称,如输入、输出继电器等.这种计算机程序实现的“软继电器”,与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处.
1. 3 PLC的工作原理
可编程序控制器有两种基本的工作状态,即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态.在运行状态,可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能.为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号,用户程序不是只执行一次,而是反复不断地重复执行,直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态.
除了执行用户程序之外,在每次循环过程中,可编程序控制器还要完成,内部处理、通信处理等工作,一次循环可分为5个阶段.可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式.由于计算机执行指令的速度极高,从外部输入-输出关系来看,处理过程似乎是同时完成的.
在内部处理联合阶段.可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常,将监控定时器复位,以及完成一些别的内部工作.在通信服务阶段,可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信,响应编程器键入的命令,更新编程器的显示内容.当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时,只执行以上的操作.可编程序控制起处于（RUN）状态时,还要完成另外3个阶段的操作.
在可编程序控制器的存储器中,设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态,它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器.可编程序控制器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区,它们统称为元件映像寄存器.在输入处理阶段,可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入寄存器.
外接的输入触点电路接通时,对应的输入映像寄存器为“1”状态,梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通,常闭触点断开.外接的输入触点电路断开,对应的输入映像寄存器为“0”状态,梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开,常闭触点接通.在程序执行阶段,即使外部输入信号的状态发生了变化,输入映像寄存器的状态 也不会随之而变,输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入.
可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成,指令在存储器中按步序号顺序排列.在没有跳转指令时,CPU从第一条指令开始,逐条顺序的执行用户程序,直到用户程序结束之处.在执行指令时,从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的0/1状态读出来,并根据指令的要求执行相应的逻辑运算,运算结果写入到对应的元件映像寄存器中,因此,各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化.
在输出处理阶段,CPU 将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出锁存器.体型图某一输出继电器的线圈“通电”时,对应的输出映像寄存器为“1”状态.信号经输出模块隔离 和功率放大后,继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电,其常开触点闭合,使外部负载通电工作.
若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态,在输出处理阶段后,继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电,其常开触点断开,外部负载断电,停止工作.某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态时,称该编程元件为ON,映像寄存器为“0”状态时,称该编程元件为OFF.
扫描周期可编程序控制器在RUN工作状态时,执行一次图2.5.1a所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期,其典型值为1~100ms.指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系.当用户程序较长时,指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例.不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等.如图2-1c所示.

图1-1c PLC的扫描运行方式
（1）输入采样阶段
在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次读入所有的数据和状态它
们存入I/O映象区的相应单元内.输入采样结束后,转入用户程序行和输出刷新阶段.在这两个阶段中,即使输入数据和状态发生变化I/O映象区的相应单元的数据和状态也不会改变.所以输入如果是脉冲信号,它的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情况下,该输入均能被读入.
（2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段,PLC的CPU总是由上而下,从左到右的顺序依次的扫描梯形图.并对控制线路进行逻辑运算,并以此刷新该逻辑线圈或输出线圈在系统RAM存储区中对应位的状态.或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令.例如：算术运算、数据处理、数据传达等.
（3）输出刷新阶段
在输出刷新阶段,CPU按照I/O映象区内对应的数据和状态刷新所有的数据锁存电路,再经输出电路驱动响应的外设.这时才是PLC真正的输出.
（4）输入/输出滞后时间
输入/输出滞后时间又称系统响应时间,是指可编程序控制器的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔,它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成.
输入模块的CPU滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声,消除因外接输入触点动作是产生的抖动引起的不良影响,滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短,其典型值为10ms左右.
输出模块的滞后时间与模块的类型有关,继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向可空硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约为1ms,负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间约为1ms.由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达到两个多扫描周期.可编程序控制器总的响应延迟时间一般只有几十ms,对于一般的系统是无关紧要的.要求输入—输出信号之间的滞后时间尽量短的系统,可以选用扫描速度快的可编程序控制器或采取其他措施.
1.4 PLC机型的选择方法
（1）PLC的类型
PLC按结构分为整体型和模块型两类,按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等.从应用角度出发,通常可按控制功能或输入输出点数选型.整体型PLC的I/O点数固定,因此用户选择的余地较小,用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡,因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数,功能扩展方便灵活,一般用于大中型控制系统.
（2）输入输出模块的选择
输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一.例如对输入模块,应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求.对输出模块,应考虑选用的输出模块类型,通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁,电感性低功率因数负荷场合,但价格较贵,过载能力较差.输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等,与应用要求应一致.可根据应用要求,合理选用智能型输入输出模块,以便提高控制水平和降低应用成本.考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等.
2）功率驱动
要使步进电机能输出足够的转矩以驱动负载工作,必须为步进电机提供足够功率的控制信号,实现这一功能的电路称为步进电机驱动电路.驱动电路实际上是一个功率开关电路,其功能是将环形分配的输出信号进行功率放大,得到步进电机控制绕组所需要的脉冲电流及所需要的脉冲波形.步机的工作特性在很大的程度上取决于功率驱动器的性能,对每一相绕组来说,理想的功率驱动器应使通过绕组的电流脉冲尽量接近矩形波.但由于步进电机绕组有很大的电感,要做到这一点是有困难的.
常见的步进电机驱动电路有三种：
1）单电源驱动电路.这种电路采用单一电源供电,结构简单,成本低,但电流波形差,效率低,输出力矩小,主要用于对速度要求不高的小型步进电机的驱动.图2-1b所示为步进电机的一相绕组驱动电路（每相绕组的电路相同）.
当环形分配器的脉冲输入信号uU为低电平（逻辑0,约1V）时,虽然V1,V2管都导通,但只要适当选择R1,R3,R5的阻值,使Ub30（约为0.7V）,V3管饱和导通,该相绕组通电.

图2-1b 单电源驱动电路
2）双电源驱动电路.双电源驱动电路又称高,低压驱动电路,采用高压和低压两个电源供电,如图2-1c所示.在步进电机绕组刚接通时,通过高压电源供电,以加快电流上升速度；延迟一段时间后,切换到低压电源供电.这种电路使用电流波形,输出转矩及运行频率等都有较大的改善.

图2-1c 高低压驱动电路
当环形分配器的脉冲输入信号uU为高电平时（要求该相绕组通电）,二极管Vg,Vd的基极都有信号电压输入,使Vg,Vd均导通.于是在高压电源作用下（这时二极管VD1两端承受的是反向电压,处于截止状态,可使低压电源不对绕组作用）,绕组电流迅速上升,电流前沿很陡.当电流达到或稍微超过额定稳态电流时,利用定时电路或电流检测器等措施切断Vg基极上的信号电压,于是Vg截止,但此时Vd仍然是导通的,因此绕组电流即转而由低压电源经过二极管VD1供给.当环形分配器输出端的电压uU为低电平时（要求绕组断电）,Vd基极上的信号电压消失,于是Vd截止,绕组中的电流经二极管VD2及电阻Rf2向高压电源供电,电流迅速下降.采用这种高,低压切换型电源,电机绕组上不需要串联电阻或者需要串联一个很小的电阻Rf1（为平衡各相电流）,因此电源的功耗较小.由于这种供压方式使电流波形得到很大的改善,因而步进惦记的矩频特性好,启动和运行频率得到很大的提高.
3）斩波限流驱动电路.这种电路采用单一高压电源供电,以加快电流上升速度,并通过对绕组电流的检测,控制功放管的开和关,使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下,其波形图如图2-1d所示.这种电路功率大,功耗小,效率高,目前应用最广.
2-1d 斩波限流驱动电路波形图
图2-1e所示为一种斩波限流驱动电路原理图,其工作原理如下：当环形分配器的脉冲输入高电平（要求该相绕组通电）加载到光电耦合器OT的输入端时,晶体管V1导通,并使V2和V3也导通.V2导通瞬间,脉冲变压器T在其二次线圈中感应出一个正脉冲,使大功率晶体管V4也通.同时由于V3的导通,大功率晶体管V5也导通.于是绕组W中有电流流过,步进电机旋转.由于W是感性负载,其中的电流在导通后逐渐增加,当增加到一定值时,在检测电阻R10上产生的压降将超过由分压电阻R7和电阻R8所设定的电压值Uref,使比较器OP翻转,输出低电平使V2截止.V2被截止瞬时,又通过T将一个负脉冲交连到二次线圈,使V4截止.于是电源通路被切断,W中储存的能量通过V5,R10及二极管VD7释放,电流逐渐减小.当电流减小到一定值后,在R10上的压降又低于Uref,使OP输出高电平,V2,V4及W重新导通.在控制脉冲持续期间,上述过程不断重复.当输入低电平时,V1~V5等相继截止,W中的能量则通过VD6,电源,地和VD7释放.
该电路限流值可达6A左右,改变电阻R10或R8的值,可改变限流值的大小.

图2-1e 斩波限流驱动电路
2.2 步进电机驱动器选取方法
1.首先确定步进电机拖动负载所需要的扭矩.最简单的方法是在负载轴上加一杠杆,用弹簧秤拉动杠杆,拉力乘以力臂长度既是负载力矩.或者根据负载特性从理论上计算出来.由于步进电机是控制类电机,所以目前常用步进电机的最大力矩不超过45Nm,力矩越大,成本越高,如果您所选择的电机力矩较大或超过此范围,可以考虑加配减速装置.
2.确定步进电机的最高运行转速.转速指标在步进电机的选取时至关重要,步进电机的特性是随着电机转速的升高,扭矩下降,其下降的快慢和很多参数有关,如:驱动器的驱动电压、电机的相电流、电机的相电感、电机大小等等,一般的规律是：驱动电压越高,力矩下降越慢；电机的相电流越大,力矩下降越慢.在设计方案时,应使电机的转速控制在1500转/分或1000转/分,当然这样说很不规范,可以参考〈矩-频特性〉.
3.根据负载最大力矩和最高转速这两个重要指标,再参考〈矩-频特性〉,就可以选择出适合自己的步进电机.如果您认为自己选出的电机太大,可以考虑加配减速装置,这样可以节约成本,也可以使您的设计更灵活.要选择好合适的减速比,要综合考虑力矩和速度的关系,选择出最佳方案.
4.最后还要考虑留有一定的（如30%）力矩余量和转速余量.
5.可以先选择混合式步进电机,如果由于价格因素,可以选取反应式步进电机
6.尽量选取细分驱动器,且使驱动器工作在细分状态.
7.选取时且勿走入只看电机力矩这一个指标的误区,也就是说并非电机的扭矩越大越好,要和速度指标一起考虑.
8.超小型驱动器和微型驱动器是靠外壳作为散热器的,应固定在较大、较厚的金属板上或外加风机散热,如果没有散热条件,而驱动器又工作在转速较低的场合（这时驱动器发热较大）.
2.3 步进电机驱动器选取
综上所述本系统采用的是两相混合式步进电机细分驱动器 SH-20803N
技术特点
概述
本驱动器在继承以往驱动器细分技术的基础上,引入了全新的动态智能电流控制技术,从而大大改善了电机电流的控制精度,进一步降低了力矩的脉动,提高了细分的精度,并且可以将电机的损耗降低30%,达到减小电机温升的效果.更宽的电压电流范围可以满足更多的应用场合,通过动态智能控制模式可以根据实际的运行工况寻得最优的控制方式,方便的电流设定功能方便适配多种型号电机.
电气特性（环境温度Tj=25℃时）

使用环境及参数

电源电压
本驱动器采用直流电源供电,由机壳正面的红色指示灯指示.电源电压在DC24V～DC70V之间都可以正常工作,用户可以直接采用变压器整流加电容滤波电路提供.但注意应使整流后电压纹波峰值不超过70V.考虑到电网电压的波动,变压器副边空载输出电压建议小于50VAC.采用较低的电源电压会使电机高速运行力矩下降,但有助于驱动器降低温升和增加低速时的运行平稳性（请参考适配电机矩频特性曲线）.所加电源的输出能力应不少于电机的额定相电流,电源电压越低则对电源电流输出能力的要求越大.接线时务必注意电源正负,切勿反接!
电源质量的好坏直接影响到驱动器的性能和功能,电源的纹波大小影响细分的精度,电源共模干扰的抑制能力影响系统的抗干扰性,因此对于要求较高的应用场合,一定要注意提高电源的质量.
输出电流选择
本驱动器采用双极恒流方式,最大输出电流值为3A/相（峰值）,根据驱动器侧板开关（4,5,6）的不同组合可以方便的选择8种电流值,从1.5A到3.1A（详见电流选择表）,
细分选择
本驱动器有A、B两种类型,每种类型各提供8种细分运行模式.对于A型,可提供整步、半步（优化半步）、4细分、8细分、16细分、32细分、64细分模式；对于B型,可提供整步、半步、4细分、5细分、8细分、10细分、20及40细分模式.驱动器出厂时,面板上会有类型标注.8种细分模式用户既可通过侧板开关（1,2,3）方便设定（详见细分模式选择表）也可以使用端子上提供的MS1,MS2,MS3三个接口由系统选择（详见在线细分切换）.细分步数均相对整步而言,如驱动整步为1.8度电机,设定整步运行时,一个脉冲使电机转动1.8度,半步时,一个脉冲使电机转动0.9度,4细分时一个脉冲则使电机转动0.45度……