基于PLC的步进电机主机调速控制.pdf

务1 甸 似 基于P L C 的步进电机主机调速控制 Bas ed on t he PL C t he s t epper m ot or hos t sp eed cont r ol 宋广雷 。 ，张良 SONG Gu a n g l e i 。 ． ZHANG L ian g 1 ． 无锡职业技术学院 机械技术学院，无锡 2 1 4 1 2 1 ；2 ． 无锡瑞风船用推进器有限公司，无锡 2 1 4 1 2 2 摘要介绍了S T -2 Q OP L C 与步进电机控制的主机转速控制的结构方式、工作原理和控制要求，进 行了控制元件的选用，包括O PU 、步进电机及其驱动电路的选择，结合实例讲述系统控制过 程。经实践证明，该系统结构简单、运行可靠，控制精度高。 关键词 P L C； 步进电机； 主机 中图分类号 T P2 7 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 2 1 1 下 一0 1 3 2 -0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 1 1 下 ． 3 7 1 简介 在船舶航 行中，对主机转速的控 制是船舶驾 驶的一个主要操作方面。不 同的船舶上有不同的 调速控制方式 ，在小型船舶上，一般都是通过推 拉软轴实现调速，这种控制方式最简单 ，但是控 制距离有限，所 以在稍大一些的船上必须采用遥 控调速 ，早期 的遥控方式一般是气控调 速，后来 随着科学技术的不断进步 ，电气 自动化控制在工 业控制和生产 中被越来越广泛地应用 ，一种新型 的主机调速装置即电控调速正逐渐被越 来越广泛 地 应用。为适应科技 发展的潮流 ，缩短 与国外 同 行 的差距 ，本文开发 了全新的电控调速装置。 主机 电控调速装置是专 门应用于对主机油门 进行遥控操作 的各种船舶上，特别是需要频繁操 作的各种拖轮上，尤其运用于无气源供给 的小型 船舶上。主机油 门调速装置是全回转舵桨配套的 产 品 ⋯，从最 初至今，油 门控制一直采用气控调 速 ，对 比于气控调 速，电控 调速具有设备 安装简 单 、调速精度高、控制更加可靠等优点。 电控调速装 置是集机械 、电气、软件 为一体 的机 电一体化系统 ，在该系统中采用电位器传感 、 P L C控制、步进 电机执行 的开环控制 方式 。由 于主机能否正常调速是船舶安全航行 的一个必要 条件 ，为了提高整个 系统的可靠性，考虑到机舱 工作环境恶劣 ，利用步进电机 接收数 字脉冲 的特 性 ，去掉 了反馈装置，实行开环控制 ，比传统 的 闭环控制方式更加简洁 、可靠。 2 系统原理及硬件组成 I．．．．．．．．．．．．．． 1系 统 原 理 框 图 1 控制方式为开环 ，整个 系统 由控制手柄 、 控制及驱动器件、步进电机、机械执行机构组成。 主机转速控制指令由控制手柄下安装的电位器给 定，电位器的输 出电压经处理后送入 S 7 2 0 0 P L C， 发出控制指令给步进电机 驱动器 ，驱动器驱动步 进电机旋转 ，并 由机械执行机构将步进电机 的角 位移转换 成直线位 移，通过软 轴推拉 主机油 门， 实现主机调速。 2 步进电机 及其驱动，步进电机是数字控制 系统 中的执行电动机 ，由于它可 以直接接收计算 机来的数 字脉冲信号，而不需要进行数 ／ 模转换， 所 以用起来非常方便，改变电脉冲的频率大小和 通 电相序，就可控制步进电机的转速和转向。步进 电机角位移 与控制脉冲精确同步，在无 需反馈控 制而要求有准确位置的应用场合，是一种重要 的 机电执行装置。正 因为步进电机 的以上特点 ，在 该系统 中为了使控制更加简单 、可靠，采用 2相 4 拍混合式步进电机进行开环控制 ，其步距角 1 ． 8 。， 在实际使用中可进行细分驱动 ，使运转更加平稳， 收稿日期2 0 1 2 1 0 - 0 7 作者简介宋广雷 1 9 7 2 一，男，江苏宿迁人，讲师，硕士，研究方向为数控设备控制。 [ 1 3 2 ] 第3 4 卷第1 1 期2 0 1 2 1 1 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 訇 似 定位精度更高。步进电机驱动器选用成熟产品北京 森创 2 0 4 0 3 ，只需接收来自步进驱动器的脉冲、转 向、使能控制信 号，通过手柄电位器的旋转控制 发送的脉冲个数 ，可实现步进电机精确定位。 3 机械执行机构该执行机构 中，通过丝杆螺 母机构将步进电机的角位移转换为 螺母 的直线位 移 ，由滑动螺母 带动推拉软轴 直线运动 ，软轴 的 另一 端连 接在主机 油门上 ，由此实 现主机 调速。 基准定位开关用于调节主机的怠速 ，最大限位开 关用 于限制最大转速。上 限开关 和最大极限 开关 都是 电子式接近开关 ，当检测板移动到距离基 准 定位开关 的端部 2 mm时 ，该开关就会动作 ，发出 控制 信号，步进 电机会停止转动 ，此时主机 油门 处于 怠速位置 。上限开关与下限开关相 同，功 能 为防止主机超过限 定的转速 ，当移动板前移 至上 限开关动作时 ，立 即停止向前 加速方 向 移动 ， 此时继 续 向下旋 转操作手 柄 ，检测板不 会动作 ， 只有将旋转操作手柄抬起时，检 测板会 向后 减 速方 向 移 动 。 下限开关作为起始定位开关 ，在整个 系统 中 尤为重 要，因此增 加下限开关 2作为下 限开关 1 的备用 ，当下 限开关 l出现 故障时 ，下限 开关 2 会 自动代替下限开关 1 工作 ，同时发 出下限开关 1的故障报警 ，此时整个 系统仍然可 以正常工作， 但是为保证 系统的可靠性，应及时更换下限开关 1 。下限开关 1 和下限开关 2的相对位置出厂前已 经固定好 ，不得随意改动 ，下 限开关 2的工作位 置应 比下限开关 1稍后 0 ． 5 ram 左右 ，当下 限开关 1 正常时 ，下限开关 2不工作。 3 控制系统设计 1 控制原理设计 由于主机油门控制在船舶 操纵上极为重要 ，执行机构必须及时反映控制电 位器 的位置 ，并且 要求定位准确 ，无论驾 驶人 员 如何操纵 ，执行机构不允许 出现任何误动作 ，不 许 出现丢步 、失步 ，出现大 的累积误差。在本系 统 中采用开环控制 ，没有位置反馈传感器 ，步进 电机 的位置 完全 由程序 发 出的控制 指令来确定 ， 更要 求控 制程序运 行可靠 ，位置计算准确。考虑 到开环控制必须有一准确初始位置，为此增加基 准定位开关 ，在每次上电或者控制 电位器 回到零 位 时，执行机 构必须 回到此 开关处 ，重新定位 ， 这样也可以消除多次操作的累积误差。 2 P L C选用和硬件配置 西 门子 S 7 2 0 0 P L C 以集程度高、功能 强、抗干扰性能好、工作稳定 等优点获得 了非常 广泛 的应用 ，在现代化的技术 改造 中，发挥 了越来越重要的作用。本 系统选用 S 7 2 0 0系列 的 C P U2 2 2作 为主 控单 元。I ／ 0是 1 4 个点 ，8输入 ／ 6输 出，体积小 ，功能强 ，具有高 速脉冲输 出功能，E M2 3 5模拟量输入模块是价格 适中、高速 1 2位模拟量输入模块 一 J 。这些模块可 在 1 4 9 u S 之 内将模拟信号输入转换为其相应的数 字值 ，可以实现信 号转换 ，可以驱动 步进 电极实 现精确控制。E M2 3 5模块通过扁平电缆接到 P L C， 构成数据通道 ，同时模拟量模块还必须外接 2 4 V 图2 执行机构原理 第3 4 卷第1 1 期2 0 1 2 1 1 下 [ 1 3 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图3 P L C 与步进电机控制器连接 制，输出4 0 0 0 个脉 时针转动 如果1 0 ． 1 0 将 【 1 3 4 l 第3 4 卷第1 1 期2 0 1 2 - 1 1 下 图4 P L C与步进 电机控制器连接 【 下转第1 4 8 页】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m