步進(jìn)電機、脈沖與方向信號
步進(jìn)電機作為一種常用的電氣執行元件，廣泛應用于自動(dòng)化控制領(lǐng)域。步進(jìn)電機的運轉需要配備一個(gè)專(zhuān)門(mén)的驅動(dòng)電源，驅動(dòng)電源的輸出受外部的脈沖信號和方向信號控制。每一個(gè)脈沖信號可使步進(jìn)電機旋轉一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度稱(chēng)為步距角。脈沖的數量決定了旋轉的總角度，脈沖的頻率決定了旋轉的速度。方向信號決定了旋轉的方向。就一個(gè)傳動(dòng)速比確定的具體設備而言，無(wú)需距離、速度信號反饋環(huán)，只需控制脈沖的數量和頻率即可控制設備移動(dòng)部件的移動(dòng)距離和速度；而方向信號可控制移動(dòng)的方向。因此，對于那些控制精度要求不是很高的應用場(chǎng)合，用開(kāi)環(huán)方式控制是一種較為簡(jiǎn)單而又經(jīng)濟的電氣控制技術(shù)方案。
另外，步進(jìn)電機的細分運轉方式非常實(shí)用，盡管其步距角受到機械制造的限制，不能制作得很小，但可以通過(guò)電氣控制的方式使步進(jìn)電機的運轉由原來(lái)的每個(gè)整步分成m個(gè)小步來(lái)完成，以提高設備運行的精度和平穩性。
控制步進(jìn)電機電源的脈沖與方向信號源常用數控系統，但對于一些在運行過(guò)程中移動(dòng)距離和速度均確定的具體設備，采用PLC（可編程控制器）是一種理想的技術(shù)方案。
控制方案
在操作面板上設定移動(dòng)距離、速度和方向，通過(guò)PLC的運算產(chǎn)生脈沖、方向信號，控制步進(jìn)電機的驅動(dòng)電源，達到對距離、速度、方向控制的目的，見(jiàn)圖1。操作面板上的位置旋鈕控制移動(dòng)的距離，速度旋鈕控制移動(dòng)的速度，方向按鈕控制移動(dòng)的方向，啟/停按鈕控制電機的啟動(dòng)與停止。
在實(shí)際系統中，位置與速度往往需要分成幾擋，故位置、速度旋鈕可選用波段開(kāi)關(guān)，通過(guò)對波段開(kāi)關(guān)的不同跳線(xiàn)進(jìn)行編碼，可減少操作面板與PLC的連線(xiàn)數量，同時(shí)也減少了PLC的輸入點(diǎn)數，節省了成本。一個(gè)n刀波段開(kāi)關(guān)的zui多擋位可達到2n。
在對PLC選型前，應根據下式計算系統的脈沖當量、脈沖頻率上限和zui大脈沖數量。
根據脈沖頻率可以確定PLC高速脈沖輸出時(shí)需要的頻率，根據脈沖數量可以確定PLC的位寬。同時(shí)，考慮到系統響應的及時(shí)性、可靠性和使用壽命，PLC應選擇晶體管輸出型。
步進(jìn)電機細分數的選擇以避開(kāi)電機的共振頻率為原則，一般可選擇2、5、10、25細分。
編制PLC控制程序時(shí)應將傳動(dòng)系統的脈沖當量、反向間隙、步進(jìn)電機的細分數定義為參數變量，以便現場(chǎng)調整。
應用實(shí)例
筆者應用PLC脈沖控制步進(jìn)電機的技術(shù)，對生產(chǎn)上引法無(wú)氧銅管的設備進(jìn)行了電氣控制。
上引法無(wú)氧銅管的生產(chǎn)過(guò)程是：將電解銅加入工頻感應爐，使其熔化成銅液，在銅液中浸入1個(gè)通有冷卻水的結晶器，流入結晶器的銅液經(jīng)過(guò)0.5～3s后，便結晶成了固態(tài)銅管。然后，一邊由引棒將固態(tài)銅管從結晶器中導出，一邊重復上述結晶過(guò)程，慢慢地將固態(tài)銅管牽引至摩擦壓輪，以后根據工藝間隔時(shí)間由步進(jìn)電機帶動(dòng)摩擦壓輪，將固態(tài)銅管*地從結晶器中牽引出來(lái)。牽引出來(lái)的銅管依次進(jìn)入校直、軋管、盤(pán)管、冷拉等工序，生產(chǎn)出不同規格的自來(lái)水管或空調、冰箱的熱交換器用銅管。
設備應滿(mǎn)足如下的生產(chǎn)工藝要求：
引管距離6擋/（mm·次-1）：2、2.5、3、3.5、4、5； 
引管速度7擋/（mm·min-1）：115、130、140、150、160、170、180； 
牽引與結晶時(shí)間比：1∶1； 
引管方式：間歇式； 
牽引方向：不變； 
設備運行：連續。
可見(jiàn)，距離開(kāi)關(guān)為6擋，速度開(kāi)關(guān)為7擋，組合后共有42種牽引方式。根據計算，距離、速度信號各需3個(gè)輸入點(diǎn)就能達到設定的擋數要求，啟/停按鈕需1個(gè)輸入點(diǎn)。根據工藝要求，牽引方向不變，故操作面板上不設置方向按鈕，步進(jìn)電機的旋轉方向不通過(guò)PLC來(lái)控制，而是采用直接跳線(xiàn)來(lái)完成設置。脈沖信號需1個(gè)輸出點(diǎn)，信號燈需2個(gè)輸出點(diǎn)。步進(jìn)電機采用25細分工作模式，以避開(kāi)電機的共振頻率區。PLC選用了具有8個(gè)數字量輸入點(diǎn)、6個(gè)數字量輸出點(diǎn)的SIEMENS公司生產(chǎn)的SIMATIC S7-200 CPU 222。另外，在控制程序中用多段管線(xiàn)操作設計了電機的升降過(guò)程，以滿(mǎn)足大負載啟動(dòng)的要求。
電氣控制原理
制作時(shí)，首先將面板上的距離、速度波段開(kāi)關(guān)按圖2進(jìn)行跳線(xiàn)，完成二進(jìn)制編碼，這樣節省了7個(gè)PLC輸入點(diǎn)，簡(jiǎn)化了連接，提高了系統可靠性，同時(shí)也降低了設備的制造成本；然后將各波段開(kāi)關(guān)、按鈕的輸出與PLC相連。設備運行時(shí)，PLC根據操作面板上各開(kāi)關(guān)的設定位置，由控制程序產(chǎn)生某一頻率和數量的高速脈沖，并將其輸出至PCB，由PCB完成電平轉換。轉換后的電平信號送至步進(jìn)電機驅動(dòng)器，拖動(dòng)步進(jìn)電機按設定的速度旋轉相應的角度，zui終達到控制距離和速度的目的。
結論
該設備經(jīng)3個(gè)多月的運行考核，證明將PLC脈沖控制步進(jìn)電機技術(shù)應用于中、小功率牽引設備中，具有控制簡(jiǎn)單、穩定、成本低等特點(diǎn)，是一種切實(shí)可行的電氣控制方案。