一种基于PLC的专用步进电机控制器

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　　1 引 言

　　某进口设备大面积的严重损坏。经过修理，更换了一大批电子元件，才勉强恢复原有的技术指标。但其工作已不是很可靠。由于该设备已停产，并且没有相关的代替设备.为配合生产需要，我们投入了对该设备的研制。原设备完全由晶体管电路构成，考虑到研制周期及可靠性等因素。我们决定采用PLC(Fx2N-32T)和触摸屏(MT506S)控制技术重新进行设计。

　　2 功能概述

　　该设备实质上就是一台专用的测控步进电机装置的设备。步进电机装置由步进电机及其相关电路组成。该设备功能包括:距离(工作步数)设定、启动、位置显示及清零，(自动、手动)连续或单次运行，(自动、手动)回原点，步进电机欠电流检测报警，原点到位显示等。

　　3 装置原理介绍

　　3.1 系统工作原理

　　系统工作原理如图1所示。图中触摸屏作为人机界面,用来显示并进行操作;PLC作为控制器,接收触摸屏的设定数据并进行逻辑处理,再控制步进电机。步进电机装置是受控对象，不能进行修改。它包括多种电源形式:步进电机工作在-24V三相双三拍直流矩形波的供电方式，还包括+12V、-12V、+5V等电压和极性不同的信号。为了使多种信号的检测和驱动、步进电机装置相匹配，增加了信号的转换电路。

　　图1 系统工作原理框图

　　3.2 转换电路原理

　　信号转换电路的部分电路，如图2，3所示。

　　图2中,当5V或0V信号到达电阻R1后，通过光电耦合器使PLC输入1信号接通，此时电机回原点运行的过程中开始计数,记录运行步数。当+12V信号到达“±12V信号”后, 首先点亮发光管D6，然后通过光电耦合器U1-3使PLC输入3接通，指示到达原点，电机停止运行;当-12V信号到达“±12V信号”后,通过光电耦合器U1-2使PLC输入2接通，超出设定极限。当-12V信号到达“-12V信号2”通过光电耦合器U1-3使PLC输入接通，指示到达原点，电机停止运行。

　　图2 信号转换电路

　　图3 步进电机驱动电路

　　3.3 电流检测原理

　　在步进电机驱动器中，内置了电流检测电路。电机发生断电或欠电流运行时，发出报警信号，使系统停止运行。检测原理是利用三相双三拍步进电机的工作特性，在任意时刻均有两相得电。只要检测任意时刻流过公共地线的电流大于相应额定电流的2/3即可认为工作正常，如小于相应额定电流的2/3，则认为欠电流运行。电路原理和时序图，如图3，4所示。

　　图3中，R是电流检测电阻，C用于消除竞争。在图4中IN表示三相双三拍电机流过公共点电流检测电阻的额定工作电流;In表示检测电流的门限，In=2/3IN;I表示电机的实际工作电流。ALM表示欠电流报警。系统运行后，当I≥In时，ALM报警，直到故障排除，系统复位后报警解除。图4中的细实线表示ALM未报警时的时序图。

　　图4 电流波形图

　　3.4 触摸屏的软件设计

　　(1) 首页:打开电源开关后，提示输入登录密码。正确输入密码后，自动进入首页。设备进入准备状态。

　　(2) 输入窗口:输入窗口主要用于设定并进行操作。包括键盘和主要操作控件，操作者可以直接对设备进行操作。

　　(3) 配方数据窗口:对于经常用到的操作数据，可以按照提供的格式存放到配方卡记忆体里面,当需要时把它调出来，而不需要临时输入数据，可以大大地提高操作效率。

　　(4) 控制窗口:控制窗口主要用于对设备的基本功能的操作和显示。包括一个隐藏的小键盘窗口，可以在需要设定数据时弹出。

　　(5) 元件检查窗口:用于对PLC内部关键元件的监测，以便出错时查找故障。

　　(6) 梯形图检查窗口:用于对PLC梯形图的实时监控(由于MT506S不具备直接显示PLC内部梯形图的功能，故采用了单独制作显示PLC各元件的方法组合成关键部分梯形图)。

　　3.5 PLC的软件设计

　　PLC程序流程图如图5所示。

　　系统初始化后,完成了距离设定,选择运行方式后.再看系统是否有故障或是否到达原点。当完全准备妥后，分别执行自动或手动操作。在按设定距离执行自动往返运行的过程中，当中间执行断开操作后，系统保持运行方向，运行到设定距离，保持显示，然后停止运行;当执行复位操作后，系统首先运行显示归零(计数清零)，然后停止运行。在执行手动运行中，当到达设定距离后，系统保持显示，并停止运行;当运行中执行断开操作，方向不变，到达设定距离后，系统保持显示并停止运行;当执行复位操作，则运行显示归零(计数清零)，然后停止运行。

　　图5 PLC程序流程框图

　　4 结束语

　　控制器采用触摸屏和PLC来实现,缩短了开发周期，提高了运行的可靠性，尤其适合此类要求工程周期短，可靠性高，批量小的设备开发。另外，软件的灵活性还有利于设备的改造和升级。