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2 0 1 4年 8月 第 4 2 卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 4 Vo l _ 4 2 No ．1 6 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 6 ． 0 5 4 基于 P L C及反馈电路的步进电机闭环控制系统改造 王 晓瑜 ， 1 ．西安建筑科技大学机电工程学院，陕西西安 7 1 0 0 5 5 ； 2 ． 西安外事学院工学院，陕西西安 7 1 0 0 7 7 摘要 用西门子 7 - 2 0 0 P L C、步进电机驱动器和编码器对步进电机闭环控制系统进行改造，阐述系统的控制原理，给 出系统流程图及软件实现方法。实践结果证明改造后的控制系统结构简单、性能稳定 ，编程容易，可靠性高。高精度和 低成本要求得以实现。 关键词 闭环控制；P L C ；步进电机驱动器；编码器 中图分类号T P 3 3 2 ． 3 文献标识码B 文章编号 步进电机是将电脉冲转化为角位移的执行机构。 步进驱动器接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机按 设定的方向转动一个固定的角度 称为 “ 步距角” 运行。脉冲个数与控制角位移量成正比，以此实现准 确定位 ；脉冲频率与电机转速成正比，以此实现调 速。步进电机因具有结构简单、可靠性高、成本低和 无积累误差的特点，而广泛应用于各种开环控制。但 当步进电机启动频率过高或负载过大时，易出现丢步 或堵转的现象 ，停止时转速过高易出现过冲的现象， 所以为保证其控制精度，必须加入反馈电路组成高性 能的闭环控制系统。文中采用增量型编码器作为位置 反馈器件对步进电机实行闭环控制改造，使其控制性 能更 为可靠 。 1 系统总体方案设计 步进电机闭环控制系统原理如图 1 所示。 P LC 脉 冲 输 出 耄 蓑 的输出输入到 P L 僦计数器 编码器 图 1 步进电机闭环控制系统原理图 由图 1可知 ，P L C的高速输出脉冲信号和方向信 号 ，经驱动放大后送往步进 电机 ，控制其工作 ；步进 电机带动编码器同轴旋转，由编码器检测转角度，以 脉冲的形式反馈到 P L C的高速计数器；P L C根据脉 冲反馈当量值与预定脉冲值进行比较，发出相应脉冲 控制指令 ，从而实现步进 电机转动位置 的闭环控 制 。 一 。 步进电机闭环控制系统由硬件部分和软件部分组 成。硬件部分由P L C 、步进电机驱动器、编码器和步 进电机组成。软件部分由程序流程框图、主程序和子 程序组成 。 2 硬件 系统设计 2 ． 1 P L C的 选型 和 I ／ O地址 分 配。 根据控制功能需求，该系统所需的 I ／ O点数为 8 点开关量输人 、3 点开关量输出，综合考虑，选择西 门子 s 7 - 2 0 0系列 c P u 2 2 4 x P C N D C ／ D C ／ D C 。I ／ O地 址分 配见表 1 和表 2 。 表 1 输入信号地址分配表 功能 元件 地址 1 0． O 1 0． 1 1 0． 2 1 0． 3 1 0． 4 I 1． O I 1． 1 I 1． 2 用作高速计数器， 反馈位置 编码器 A相 用作高速计数器， 反馈位置编码器 B相 步进电机正转启动按钮 S B 1 步进电机反转启动按钮 S B 2 步进电机停止按钮 S B 3 加速开关 S B 4 恒速开关 S B 5 减速开关 S B 6 表 2 输 出信号地址分配表 P L C端子接线图见图 2 。 收稿 日期 2 0 1 3 0 71 6 作者简介王晓瑜 1 9 7 4 一 ，女，博士研究生，高级工程师 ，现从事机械电子工程教学与科研工作。Em a i l l s h t t t t 1 2 6 ． c o rno 第 1 6 期 王晓瑜基于 P L C及反馈电路的步进电机闭环控制系统改造 1 7 3 图2 硬件系统接线图 2 ． 2 步进 电机驱动器的选型 该控制系统选用雷赛 M 4 1 5 B步进电机驱 动器。 其供电电压为 2 4 V D C ，光隔离信号输入 ，具有 1～ 6 4细分可选细分精度和电机噪声优化功能。该驱动 器按照 P L C发来的高速脉冲／ 方向指令 每个脉冲将 使电机移动一个基本步距角 1 ． 8 0 。 ，对电机线圈电 流进行控制，从而控制电机转轴的位置和速度 。 2 ． 3编码 器的选 型 该控制系统 选用奥 图尼 克斯 的 E 4 0 S 6 - 1 0 0 3 2 - 2 4 增量式旋转编码器。其供电电压为 2 4 V D C，为 A、 B 、z三线制 N P N型输出。该编码器转轴旋转时，将 旋转角度转换成周期性的电信号 ，再将电信号转变成 计数脉 冲 ，用脉 冲的个数表示旋转 角度的大小 。 2 ． 4步进电机的选型 该控制系统选用雷赛 1 1 0 H S 1 2两相混合式步进 电机，该电机的传动方式为两相四拍工作方式 A A B B B A ，步距角为 1 ． 8 0 。 3硬件系统接线图 硬件 系统 接线图如图 2 所示 。 4软件系统设计 软件部分由程序流程 框图、主程序 M A I N、初 始化 子程序 S B R - 0 、包络 表 子 程 序 P T O S B R 1和 中 断程序 P T O I N T组成。程 序流程框图见图 3 。 开始一 首次选择步进 电机一 正转或反转启动一 移位 寄存 器赋初值一 任选 加速 、恒速 、减速 中一个 速度一发生移位脉冲一执 行 移位一 移位输 出控制 步 进电机一 四拍计数到一 移 位寄存器赋初值一四拍计 数未到一继续执行。 根据步进电机的闭环 控制系统要求，结合 P L C 首 次选 择 步进 速度 二二] 二二 正转或反转启动 二二]E 移位寄存器赋初值 加速 l l 恒速 I I 减速 发 生移 位脉 冲 二[ 执行 移位 移位输 出控制步进电机 图 3 程序流程图 的 I ／ O地址分配 ，编制梯形 图 ，共有 四部分 。 程序设计 中 ，主程序 MA I N为 P T O输 出的三段 脉 冲管线方式，作用是复位高速输出，调用初始化子程 序 S B R - 0 ；初始化子程序 S B R - 0作用是将包络表的起 始变量装入包络表的首地址 ，同时调用包络表子程序 P T O S B R 1 ，当 高 速 输 出 完 成 时，调 用 中 断 程 序 P T O I N T ，完成脉冲输出。 5 结束语 采用基于 P L C及 反馈 电路 的步进 电机 闭环 控制 系统设计，可得到比开环控制更高的运行速度 ，更稳 定、更光滑的转 速。控制 系统结构简单、动态特性 好、适应性强、速度快、精度高、性能稳定。采用编 码器作为位置反馈，既能使步进电机达到伺服电机的 高速度和高精度效果 ，又能降低成本，在各种车床、 切割机、雕刻机等数控场合有较高的实用价值。 参考文献 [ 1 ]秦常贵． 基于 P L C的步进电动机的正反转及调速控制 [ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 1 ， 3 2 8 1 8 61 8 7 ． [ 2 ]张前毅． 一种提高步进电动机定位精度 的方法[ J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 0， 3 4 4 1 2 01 2 2 ． [ 3 ]高琴， 刘淑聪， 彭宏伟． 步进电机控制系统的设计及应用 [ J ] ． 制造业 自动化， 2 0 1 2 ， 3 4 1 1 5 01 5 2 ． [ 4 ]西门子公司 7 - 2 0 0系列 P L C软、 硬件手册[ M] ， 2 0 0 3 ． 上接第 1 5 4页 2 改进算法能将极线上与 目标点灰度值相差 较大的点进行排 除，提高匹配准确度 ，如图6所示； 从表2可知 ，该算法大大减少了区域灰度相关计算次 数 ，从而节省了大量的计算时间。 5结论 通过大量的实验验证 ，可 以得到 以下结论 采用 先将目标点与极线各像素点进行点灰度比较后再进行 区域匹配的算法 ，可以有效减少仅采用沿极线进行区 域匹配的匹配误差，提高匹配精度 ，同时减少计算量。 参考文献 [ 1 ]韩伟， 郑江滨 ， 李秀秀． 基于外极线的快速精确立体匹配 算法[ J ] ． 计算机工程与应用， 2 0 0 8 ， 4 4 1 5 1 5 3 ． [ 2 ]邓志燕 ， 陈炽坤． 利用外极线约束的图像匹配新算法 [ J ] ． 工程图学学报， 2 0 0 9 5 1 0 41 0 7 ． [ 3 ]Z H O U J ， X U Y， Y U W R ． P h a s e Ma t c h i n g w i t h M u h i r e s o l u t i o n Wa v e l e t T r a n s f o r m[ C ] ／ ／ P r o c S P I E， 2 0 0 2 8 2 9 1 ． [ 4 ]富巍， 刘美俊． 排爆机器人的研究与开发[ M] ． 北京 电 子工业 出版社 ， 2 0 1 0 6 8 8 8 ． [ 5 ] 刘金鑫． 双目视觉的摄像机标定与立体匹配技术研究 [ D] ． 广州 广东工业大学， 2 0 1 1 ． [ 6 ]曾吉勇， 苏显渝． 浓密视差图的快速提取[ J ] ． 光学技 术， 2 0 0 4 ， 3 0 1 4 0- 4 3 ． [ 7 ] 段湘斌． 基于灰度图像的匹配算法改进[ D ] ． 长沙 中南 大学 ， 2 0 1 2 ． [ 8 ] 冯宇平 ， 赵文仓． 基于局部灰度值编码的图像匹配[ J ] ． 青岛科技大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 1 ， 3 2 4 4 3 5 44 0
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