基于PLC和组态的步进电机调速系统设计

基于PLC和组态的步进电机调速系统设计

    基于PLC和组态的步进电机调速系统设计，系统中使用HMI作为上位机，PLC作为下位机，步进电机作为执行元件。上位机HMI为配置wincc组态的人机界面，与作为plc的下位机之间进行通讯，通过在HMI上进行操作，通过Profinet通讯协议将指令发送到下位机plc，plc响应HMI输出不同频率的高速脉冲。脉冲信号经过硬件电路经脉冲分配和功率放大后进入电机绕组，实现对步进电机的调速。

　 一种基于PLC和组态的步进电机调速系统，其控制方案由硬件与软件相结合的形式实现。其控制方式变得直观且容易操作，可以实现对步进电机的调速功能。

1 步进电机驱动电路设计

1.1 步进电机原理及其控制

　 步进电机因为其工作的方式与特点，又被称之为脉冲电机，是被广泛应用于数字控制系统中的电机。步进电机的作用是将接收到的脉冲转化为具体的角度偏移或线性移动。控制步进电机的方法，一般是通过控制输送到其驱动器的脉冲个数，从而实现控制角位移；通过控制输入驱动器的脉冲的周期来达到改变步进电机的转速，实现调速。被广泛应用于各种开环控制系统中。

1.2 步进电机的控制方式

　　步进电机的常用控制方式主要有3种，分别为基于电子电路的控制系统，基于单片机的控制系统以及基于PLC的控制系统。基于电子电路的步进电机控制系统，电路简单；基于单片机的步进电机控制系统是实现硬件与软件相结合的控制方法，通过编写程序的方式实现脉冲分配，电路设计简单，但却有着工作不稳定的缺陷。基于PLC步进电机控制系统，由PLC、环形脉冲分配器和功率放大电路构成。对PLC进行软件编程使其输出所需数目的电脉冲信号，通过改变步进电机的转动角度，来实现控制伺服机构的移动量。同时使用PLC程序编辑控制输出电脉冲信号的频率来实现调速，从而实现改变伺服机构的移速。

1.3 THB6064AH芯片

　　THB6064AH芯片为日本东芝半导体公司推出的两相混合式步进电机驱动芯片，拥有高细分、衰减方式连续可调、大功率、温度与电流过保护功能。步进电机的驱动电路功能主要有两个，分别为脉冲分配与功率放大。上位机输入的脉冲信号，经过环形脉冲分配器进行脉冲分配，经过功率放大电路对脉冲信号驱动能力进行放大，从而实现控制步进电机。

2硬件电路设计

　　通过脚3脚4的输入电压实现对衰减方式的控制，从而可以达到更好的驱动效果；脚5为电流输出设定端以及参考电压设置端，输入的电压以及电流大小进入恒流斩波电路的比较器中，实现对输出电流大小的控制；脚7、8、9为细分数选择端，通过输入不同的数值可以选择细分模式，实现对步进电机的细分控制，使步进电机运行更加平稳；脚18为使能端Enable，当使能端输入为0时无脉冲输出，输入为1时正常工作，由此实现对电机启停控制。

　　通过调节Vref端口的变阻器使调节输出电流的大小。OSC2端口控制电流的衰减管段时间，通过串联一个电阻来与内部电路形成RC振荡回路。参考电机工作时输入的脉冲频率，选择40KHz时衰减关断，所以对应接51KΩ的电阻串联。DY1、DY2位衰减方式控制端，通过控制输入DY1与DY2的电平来选择不同的衰减模式，以实现更好的驱动。经过测试后选择40%的快衰减模式可以使电机运行效果更为优秀，所以DY1输入高电平，DY2悬空。M1、M2、M3为细分数控制端，通过改变M1、M2、M3的输入电平来改变步进电机的细分数。细分越高，步进电机的运行更加平滑稳定，可以减小步进电机震荡。本次设计所采用的为32细分，所以M1、M3输入高电平，M2悬空。NFA、NFB分别为A、B绕组的检测电阻，选择0.22Ω/2W的大功率电阻串联。SGND、PGNDA、PGNDB接24V地线，VMA、VMB为电机驱动电源，与24V电源正极相连。VDD为芯片电源输入端，与5V电源正极相连。RESET为复位输入，通过PLC输出来使步进电机的转子在电机运行前复位，使其不会出现错步的现象；EN为使能端口，由PLC输出控制，实现电机的启停控制；CLK与CW端口分别为脉冲信号输入端口与方向信号输入口，PLC通过向这两个端口发送脉冲信号和方向信号，实现控制步进电机的调速与正反向控制。由于PLC输出为24V，THB6064AH芯片的工作电压为5V，所以PLC输出与芯片间需串联电阻，使电压合适THB6064AH的工作电压。

3 PLC程序设计

3.1 工艺对象组态

　　在PLC1200系列中，用户可通过添加工艺对象来控制电机，实现对给进机构的控制。通过定义工艺对象中的参数，即可实现对给进机构进行控制。在工艺对象中可以定义给进机构的导程，在运动控制模块中无需通过计算所需发出的脉冲数量与频率自动进行计算后再进行输出，所以使用起来十分方便，只需要直接输入给定的位置以及速度便可自动完成动作。

3.2 运动控制模块

　　PTO模块是集成在运动控制模块中。当用户需要使用高速脉冲输出时，通过组态工艺对象、调用运动控制模块即可实现高速脉冲输出功能，从而实现控制机械给进。通过控制MC_Power的使能状态即可控制运动控制模块的使能，实现对步进电机的起停控制。Axis为控制轴，输入轴编号接对对应的轴进行控制。

4 结语

　　通过测试可以正常运行。重新接线后通电，通过HMI控制PLC输出脉冲，脉冲经过自制THB6064H电路后驱动电机，可实现调速功能，步进电机调速系统正常。