1 引言
隨著紡機裝備技術進步，步進與伺服電機運動控制系統的應用越來越廣泛，其功能多樣性和產品可靠性日臻完善，正在逐步取代原來的普通電機。而且隨著可編程控制器技術的日益成熟，將二者完整地結合起來，完成對各種復雜運動的自動控制，實行機電一體化，正在成為一種趨勢。步進電機是一種將脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執行元件。步進電機的輸出位移量與輸入脈沖個數成正比,
其速度與單位時間內輸入的脈沖數(即脈沖頻率) 成正比, 其轉向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關。所以只要控制指令脈沖的數量、頻率及電機繞組通電的相序, 便可控制步進電機的輸出位移量、速度和方向。步進電機具有較好的控制性能, 其啟動、停車、反轉及其它任何運行方式的改變都可在少數脈沖內完成, 且可獲得較高的控制精度, 因而得到了廣泛的應用。
2 步進電機脈沖分配器
在可編程控制器plc的應用中，步進電機是常見的被控制對象。步進電機是一種數字控制元件，直接接收脈沖信號，它旋轉的角度和轉速分別與輸入的脈沖數和頻率成正比，因此只要控制輸入到其線圈繞組中的脈沖數和脈沖頻率就可控制步進電機的轉動角度和轉速，但是輸入的脈沖還需要經過脈沖分配器分配給步進電機的各個繞組。用plc控制步進電機，脈沖分配器的設計是一個很重要和非常靈活的問題，它可以用硬件組成，也可以用軟件組成，本文以松下fp0-c16t plc為例，討論幾種實現步進電機脈沖分配器的方法。
圖1 控制原理接線圖
用硬件實現步進電機脈沖分配器控制原理接線圖如圖1所示。由于脈沖分配器是由硬件實現，fp0-c16t只需提供一串脈沖，而fp0系列的plc具有脈沖輸出功能和高速計數器(hsc)功能，因此利用此功能進行控制步進電機非常方便。
圖2 控制梯形圖
fp0系列各型號的plc的輸出端y0或y1都具有脈沖輸出功能，其輸出脈沖的最大頻率為10khz。具體輸出脈沖頻率可以用軟件編程，y0或y1輸出的脈沖經脈沖分配器把脈沖分配給步進電機的各相繞組，同時y0或y1接至pulse的輸入接點；當達到頂定值時發生中斷，使y0或y1的脈沖頻率切換至下一參數。y2或y3是方向控制信號。vcc值為5v時，r短路；vcc值為12v時，r＝1kq(≥1/8w)；vcc值為24v時，r=2kq(≥1/8w)。圖2是實現這一控制的梯形圖。dt100～dt106是存放輸出脈沖頻率和個數的通用寄存器，梯形圖中所給參數是輸出脈沖初始頻率為500hz，最高頻率為5000hz，脈沖個數為10000。
3 軟件步進電機脈沖分配器設計
3.1 電原理設計
圖3 硬件接線圖
圖3是用軟件實現步進電機脈沖分配器plc與步進電機的硬件接線圖。步進電機以最常見的三相六拍通電方式工作。k0、k1、k2分別是正轉、反轉及停止控制開關，分別接在plc的輸入繼電器x0、xl和x2上;plc的輸出繼電器y0、y1和y2分別接步進電機的三相繞組a、b、c。軟件實現脈沖分配的方法很多，這里討論三種實現方案。
3.2 軟件實現方案之一
圖4 軟件方案1梯形圖
梯形圖如圖4所示。步進電機是以相六拍通電方式工作，即三相繞組的通電順序是：
正轉：a－ab－b－bc－c－ca 反轉：a－ac－c－cb－b－ba
該方案中，時鐘可以用plc中的定時器設計一個時鐘發生器，也可以使用plc中的內部0.01s、0.02s、0.1s、0.2s、1s、2s時鐘，它們分別由plc中的特殊內部繼電器r9018、r9019、r901a、r901b、r901c、r901d產生，為了方便、在此使用plc中的特殊內部繼電器r901a 0.1s脈沖繼電器作為控制時鐘。繼電器r0和r1分別在正反轉接通；16位移位寄存器(繼電器)wr1產生正反轉的六個節拍，用移位寄存器的各觸點r10～r15與r0、r1進行組合,使輸出繼電器y0、y1、y2按上述正反轉的順序通電。
3.3 軟件實現方案之二
圖5 軟件方案2梯形圖
梯形圖如圖5所示。該方案中，開關x0、x1作為正反轉啟動控制，k2作為停止。時鐘仍然使用plc中的特殊內部繼電器901a 0.1s脈沖繼電器作為控制時鐘。使用一個16位移位寄存器(繼電器)wr1，產生正反轉所需的六個節拍，用位移位寄存器(繼電器)的觸點r10-15和正反轉控制繼電器r0-r1的觸點進行組合，并利用plc中的高級數據傳輸指令．把所需的控制字(見附表)直接輸出到plc的輸出端，使輸出繼電器y0、y1、y2按上述正反轉的順序通電。
3.4 軟件實現方之三
圖6 軟件方案3梯形圖
梯形圖如圖6所示。控制開關的作用和時鐘仍然如方案二所述。在該方案中，利用r9013運行初期0n脈沖繼電器，開機時把輸出控制字送到plc的通用數據寄存器dt0～dt7中,根據正反轉控制要求把plc中的檢索寄存器ix(置初值(正轉置0或反轉置5)作為輸出控制字的初始指針；利用[f0 mv ,ixdt0,
wy0]指令，把所需的控制字直接輸出到plc的輸出端，之后修改ix的值，使輸出繼電器y0、y1、y2按上述正反轉的順序通電。r900b是比較相等標志。
4 應用案例
圖7 國產梳棉機電氣系統框圖
基于硬件實現方案設計了一套步進電機控制系統，成功用于國產梳棉機的電控系統的改造上。其電控系統原理框圖如圖7所示。該電氣控制系統通過plc控制步進電機解決了國產梳棉機繼電器控制系統復雜，可靠性不高，控制精度不夠，故障點多，布線繁雜等難點，可以按梳棉機的工藝要求方便地控制梳棉機，還可以根據所紡纖維種類和對產品質量要求確定梳棉機的電氣參數，包括錫林和道夫的啟動時間以及它們的轉速等。另外，該系統具有性能可靠，控制精度高、操作簡單、運行平穩、無噪音等優點，提高了梳棉機的機電一體化程度，完全能滿足用戶的使用要求。
5 結束語
利用可編程控制器可方便地實現對電機的速度和位置進行控制，能夠可靠地實現步進電機的操作，完成各種復雜的動作。基于plc控制步進電機的控制系統方案在國產梳理機上的應用，提高了梳棉機的機電一體化水平，更為重要的是為提高棉紡全流程運行的穩定性、可靠性奠定了基礎，保證了全流程連續、同步、平穩運行，使輸出毛條長片段、起長片段、甚至短片段的均勻度都能穩定在一定范圍內，從而保證了成紗質量的穩定性。基于plc控制步進電機的控制系統在國產梳理機上的成功證明，該機所采用的控制系統，完全可以應用于其它國產傳統紡織設備的改造當中，對國內紡織廠進行國產設備改造升級具有很好的參考價值。