步進電機的可編程控制器直接控制，可使組合機床自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的成本顯著下降。文章介紹了用PLC控制步進電機驅(qū)動的數(shù)控滑臺方法，伺服控制、驅(qū)動及接口以及步進電機PLC控制的軟件邏輯。
1 概述
在組合機床自動線中，一般根據(jù)不同的加工精度要求設(shè)置三種滑臺(1)液壓滑臺，用于切削量大，加工精度要求較低的粗加工工序中;(2)機械滑臺，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)數(shù)控滑臺，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。可編程控制器(簡稱PLC)以其通用性強、可靠性高、指令系統(tǒng)簡單、編程簡便易學(xué)、易于掌握、體積小、維修工作少、現(xiàn)場接口安裝方便等一系列優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制中。特別是在組合機床自動生產(chǎn)線的控制及CNC機床的S、T、M功能控制更顯示出其卓越的性能。PLC控制的步進電機開環(huán)伺服機構(gòu)應(yīng)用于組合機床自動生產(chǎn)線上的數(shù)控滑臺控制，可省去該單元的數(shù)控系統(tǒng)使該單元的控制系統(tǒng)成本降低70~90%，甚至只占用自動線控制單元PLC的3~5個I/O接口及<1KB的內(nèi)存。特別是大型自動線中可以使控制系統(tǒng)的成本顯著下降。
2 PLC控制的數(shù)控滑臺結(jié)構(gòu)
一般組合機床自動線中的數(shù)控滑臺采用步進電機驅(qū)動的開環(huán)伺服機構(gòu)。采用PLC控制的數(shù)控滑臺由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器、步進電機驅(qū)動器、步進電機和伺服傳動機構(gòu)等部分組成。
伺服傳動機構(gòu)中的齒輪Z1、Z2應(yīng)該采取消隙措施，避免產(chǎn)生反向死區(qū)或使加工精度下降;而絲杠傳動副則應(yīng)該根據(jù)該單元的加工精度要求，確定是否選用滾珠絲杠副。采用滾珠絲杠副，具有傳動效率高、系統(tǒng)剛度好、傳動精度高、使用壽命長的優(yōu)點，但成本較高且不能自鎖。
3 數(shù)控滑臺的PLC控制方法
一般液壓滑臺和機械滑臺的行程控制是利用位置或壓力傳感器(行程開關(guān)/死擋鐵)來實現(xiàn);而數(shù)控滑臺的行程則采用數(shù)字控制來實現(xiàn)。由數(shù)控滑臺的結(jié)構(gòu)可知，滑臺的行程正比于步進電機的總轉(zhuǎn)角，因此只要控制步進電機的總轉(zhuǎn)角即可。由步進電機的工作原理和特性可知步進電機的總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的控制脈沖個數(shù);因此可以根據(jù)伺服機構(gòu)的位移量確定PLC輸出的脈沖個數(shù)：
隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個行業(yè)的控制領(lǐng)域都將有廣泛應(yīng)用。
PLC作為一種工業(yè)控制計算機，具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活、高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力，PLC對步進電機也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運動控制功能，即可實現(xiàn)對步進電機的控制。
對于那些在運行過程中移動距離和速度均確定的具體設(shè)備，工程師認為采用PLC通過步進電機驅(qū)動器來控制步進電機的運轉(zhuǎn)是一種理想的技術(shù)方案。
步進電機的特點：
(1)步進電機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比，電機運轉(zhuǎn)一周后沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。
(2)由步進電機與驅(qū)動器電路組成的開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非常可靠。同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。
(3)步進電機的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。
(4)速度可在相當寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩。
(5)步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流電源。
步進電機能響應(yīng)而不失步的最高步進頻率稱為啟動頻率;與此類似，停止頻率是指系統(tǒng)控制信號突然關(guān)斷，步進電機不沖過目標位置的最高步進頻率。而電機的啟動頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負載的轉(zhuǎn)動慣量相適應(yīng)。有了這些數(shù)據(jù)，就能有效地對步進電機進行變速控制。
采用PLC控制步進電機，應(yīng)根據(jù)下式計算系統(tǒng)的脈沖當量、脈沖頻率上限和最大脈沖數(shù)量，進而選擇PLC及其相應(yīng)的功能模塊。根據(jù)脈沖頻率可以確定PLC高速脈沖輸出時需要的頻率，根據(jù)脈沖數(shù)量可以確定PLC的位寬。脈沖當量=(步進電機步距角螺距)/(360傳動速比);脈沖頻率上限=(移動速度步進電機細分數(shù))/脈沖當量;最大脈沖數(shù)量=(移動距離步進電機細分數(shù))/脈沖當量。
PLC對步進電機的控制首先要確立坐標系，可以設(shè)為相對坐標系，也可以設(shè)為絕對坐標系，坐標系的設(shè)置在相應(yīng)的寄存器中。采用PLC通過步進驅(qū)動器來控制步進電機的運轉(zhuǎn)，從而達到了PLC在步進電動控制中應(yīng)用更加廣泛。例如，在對單雙軸運動的控制過程中，在控制面板上設(shè)定移動距離、速度和方向等參數(shù)。PLC讀入這些設(shè)定值后，通過運算產(chǎn)生脈沖、方向信號，控制步進電動機驅(qū)動，達到對距離、速度、方向控制的目的。并通過實測證明系統(tǒng)運行結(jié)果具有可靠性、可行性、有效性。
MOTEC自主研發(fā)的脈沖型步進驅(qū)動器，包含了兩相三相，從低壓直流18VDC到高壓220VAC等十數(shù)個型號，電流調(diào)節(jié)范圍寬，最大細分高達60000脈沖/轉(zhuǎn)，并且全面支持當前市場上的所有PLC，同時支持共陽極和共陰極的接法，脈沖輸入口接收信號的頻率更快，運行功能更加平穩(wěn)。
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