CN106026806A - 基于可编程控制器的步进电动机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可编程控制器的步进电动机控制系统，包括可编程控制器、液晶触摸屏、步进电动机驱动器、步进电动机、电源转换模块和电流检测模块；所述可编程控制器分别与液晶触摸屏、步进电动机驱动器、电源转换模块和电流检测模块相连，电源转换模块分别与步进电动机驱动器、步进电动机和市电源连接，步进电动机通过电流检测模块与可编程控制器连接。该系统主要通过触摸屏和可编程控制器来实现步进电动机的控制和监测，缩短了开发周期，提高了运行的可靠性，具有性能可靠、控制简单、控制精度高等优点，具有较好的推广示范价值，另外，软件的灵活性还有利于设备的改造和升级。

Description

基于可编程控制器的步进电动机控制系统

技术领域

本发明涉及机电设备控制领域，尤其涉及一种可编程控制器的步进电动机控制系统。

背景技术

步进电动机系统主要是由驱动控制电路和电动机两者所共同构成的，进而使得步进电动机和驱动电路装置有效地融为完整的系统。

步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输进肘步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输进脉冲的个数严格成正比，在时间上与输进脉冲同步，因此只要控制输进脉冲的数目、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输进时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。 步进电动机按其输出转矩的大小来分，可以分为快速步进电动机和功率步进电动机。快速步进电动机连续工作频率高而输出转矩较小，一般在N·cm级，可以作为控制小型精密机床的工作台(例线切割机床)也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达往驱动数控机床的工作台，而功率步进电动机的输出转矩就比较大是N·m级的，可以直接往驱动机床的移动部件。 步进电动机按其励磁相数，可以分为三相、四相、五相、六相甚至八相。一般来说随着相数的增加，在相同频率的情况下，每相导通电流的时间增加，各相均匀电流会高些，从而使电动机的转速—转矩特性会好些，步距角亦小。但是随着相数的增加，电动机的尺寸就增加，结构亦复杂，目前多用3～6相的步进电动机。 由于步进电动机的转速随着输进脉冲频率变化而变化，调速范围很广，灵敏度高，输出转角能够控制，而且输出精度较高，又能实现同步控制，所以广泛地使用在开环系统中，也还可用在一般通用机床上，进步进给机构的自动化水平。

在步进电动机的研究前期，所使用的系统便是开环系统，到现在为止，在工业领域控制方面还是大量采用开环系统，从侧面上看，这就说明了开环系统具有独特的技术性优势。并且，在步进电动机的设计原理中，都是对开环运行精度要求比较高，普遍高于其他同类的电机控制系统，而且电动机所运行的速度和控制脉冲频率逐渐呈现出一种正比关系的发展趋势。

从本质上看，步进电动机控制系统的现代化，必须是由绕组电流的简单闭环来进行科学的控制，其中，便是在一些常见的微步、恒总流等方面有所体现。而这以上的控制中都是给电流事先设定数值，并不是由外环来进行有效控制。

步进电动机的研究过程是一种低速永磁的同步电动机，并且在运用范围上较为广泛的是混合式步进电动机，其在运行原理上，是一个具有多极对数的永磁同步电动机，而且，在极对数中，可以看成是一个永磁同步的电动机转子齿数。若是从单纯意义上看 ，这是一种永磁同步电动机的设计思路 ，在步进电动机定子的绕组上主要是以对称交流电，才能有效促使步进电动机正常运转。但是，由于步进电动机结构上的特殊性，使得与同类的电动机相比，更能够有效地适应开环定位和低速运转；从另外一个角度上看，也能够使得驱动电路装置获得巨大的技术性优势。

在对于步进电动机的开环驱动电路设计思路上，我们可以看出，步进电动机的开环驱动电路主要是控制脉冲序列来进行输入 ，当进行输出端和步进电动机的定子绕组进行相应的连接时，我们可以适当地进行输出相应的电压和电流驱动，这样就能确保开环驱动电路的稳定运行。从整体上看，关于环形分配器的定子绕组通电顺序分析研究中，当在输入脉冲序列的作用下，输出的定子绕组在通电状态下，可以有效地控制主要电路功率开关器件导通和关断。而主要的通电上都是可以选用适当的功率等级的功率开关器件，在其设计结构上主要是可以分为 H 桥和半桥两种形式 ，在H桥的驱动电路中主要由4个MOSFET所构成，而二相步进 电动机驱动可以采用H桥结构，这样就使二相绕组需要8个MOSFET来进行驱动。在半桥结构设计框架中，每个绕组最起码需要2个MOSFET，这样就能够有效地促进多个相数的电动机来进行驱动，有效地减少了功率器件的数量，进而能够在很大程度上减少成本的支出。

可编程逻辑控制器简称PLC（英文全称：Programmable Logic Controller）。随着科学技术的发展，为适应多品种，小批量生产的需求而产生发展起来的一种新型的工业控制装置。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专门在工业环境下应用而设计。它采用可以编制程序的存储器，用来在执行存储逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟的输入(I)和输出(O)接口，控制各种类型的机械设备或生产过程。

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或者角位移的执行部件。当电机接收到一个脉冲时，步进电动机输出轴会转过一个固定的角度(步距角)。不改变电机的电脉冲方向及励磁状态，电机轴固定在某一个位置而保持停止状态。步进电动机的速度与输入到电机的脉冲频率成正比，而其旋转角度的大小正比于单位时间内的电脉冲数量，三相绕组的导通和关断顺序决定了电机的转动方向。所以，在使用PLC控制步进电动机时，为了实现对电机的转动角度、转速和旋转方向的控制，就必须实现电机接收的脉冲数量、绕组导通顺序及脉冲频率的控制。目前使用广泛的是两相和四相步进电动机，其缺点是振动和噪声大；而三相和五相电动机更有优势，但是五相电机的驱动系统比三相电机复杂 ，而三相电机控制系统具有更高的性价比。

步进电动机广泛应用于数控机床、航空航天、工业机器人等对工况要求较高的场合，是一种专门用于速度和位置精确控制的特种电动机。由于步进电动机不需要位置传感器或速度传感器便可以在开环状态定位或同步运行，因而在众多领域得到广泛的应用。

对于电机中的步进电机，如何快速且有效地检测和控制步进电机的性能特质，并且直观的显示出来，其中电机的性能指标中，主要包括驱动器的设计、电机电流的检测、步进电机的驱动电压范围以及步进电机的频率等，成为企业必须考虑的问题。

发明内容

本发明提供一种基于可编程控制器的步进电动机控制系统，该系统主要通过触摸屏和可编程控制器来实现步进电动机的控制和监测，缩短了开发周期，提高了运行的可靠性，具有性能可靠、控制简单、控制精度高等优点，具有较好的推广示范价值，另外，软件的灵活性还有利于设备的改造和升级。

本发明技术方案为：

一种基于可编程控制器的步进电动机控制系统，包括可编程控制器、液晶触摸屏、步进电动机驱动器、步进电动机、电源转换模块和电流检测模块；

所述可编程控制器分别与液晶触摸屏、步进电动机驱动器、电源转换模块和电流检测模块相连，电源转换模块分别与步进电动机驱动器、步进电动机和市电源连接，步进电动机通过电流检测模块与可编程控制器连接。

所述步进电动机驱动器包括单片机、驱动模块、功能模块、通信模块、故障检测模块和保护模块，驱动模块、功能模块、通信模块、故障检测模块和保护模块均与单片机连接，驱动模块分别与电源转换模块和步进电动机连接；

功能模块包括：报警指示灯、鸣器振动报警模块、USB模块和存储模块；

通信模块包括：RS485 模块、Zigbee 模块、RS232 模块和Usb 模块；

保护模块包括：欠压时能保存相应数据的欠压存储模块、过压时能保护驱动器的过压保护模块、高压时能控制驱动器停止工作的高压停机模块和过温保护模块。

所述保护模块在步进电动机发生故障时通过功能模块进行告警，具体为：当欠压时，报警指示灯红灯常亮，直至没电；当过压时，报警指示灯一直红黄交替闪烁；当高压时，驱动器停止工作，报警指示灯呈红色闪烁；当过温时，报警指示灯呈黄色常亮；报警指示灯亮时鸣器振动报警模块同时进行蜂鸣报警。

所述RS485 模块用于有线连接；所述Zigbee 模块用于步进电动机驱动器的无线通信；所述RS232 模块用于串口连接进行配置；所述Usb模块用于步进电动机驱动器与外界的数据交换；所述故障检测模块可以对步进电动机驱动器进行自检，快速地确定步进电动机驱动器的故障点，明确故障位置与类型。

所述电源转换模块内部电路结构为：输入端L与电压档位选择电路连接，连接后分为两个支路，一个支路连接由两个三极管组成共集-共集的放大电路，再与漏电保护电路的输入端连接，另一支路连接整流滤波电路后，再与漏电保护电路的输入端连接；零线N连接交直流切换电路后，与漏电保护电路的输入端零线连接；

所述电压档位选择电路由相互并联、并可选择接入的多个电感及电容支路组成。

所述电容包括电极片、隔离膜、极柱和外壳；所述的电极片是由集流体及集流体表面的涂层构成；所述的涂层是由包括活性物质、导电剂、粘结剂，经溶剂调和并涂布在集流体表面后再经干燥而形成的薄层；所述的集流体单面涂层厚度为15～50微米，面或一面具有涂层的电极片，其厚度为35～120微米。

所述电流检测模块通过电流电压检测芯片MAX4172完成电流采集和检测；当电机的实际工作电流大于等于检测电流的门限时报警，直到故障排除，系统复位后报警解除。

所述电流检测模块可以进行修改，检测电路中需要测试的电流。

所述可编程控制器的控制过程为：可编程控制器初始化后, 完成了距离设定，选择自动或手动运行方式后，再看系统是否有故障或是否到达原点，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，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，然后停止运行。

该系统的控制方法包括以下步骤：

① 市电源经过电源转换模块完成电压转换，操作人员设定电源转换模块的电压档位，选择合适的输出电压；

② 操作人员通过液晶触摸屏完成步进电机的相关设置，包括正反转控制、稳定状态步数和频率；

③ 步进电动机驱动器完成步进电机的正常驱动；

④ 电流检测模块完成电流采集和检测；

⑤ 步进电动机运行过程中，液晶触摸屏上实时显示当前步进电机的性能情况。

本发明的有益效果：

1、采用触摸屏和可编程控制器来实现步进电动机的控制和监测，缩短了开发周期，提高了运行的可靠性，具有性能可靠、控制简单、控制精度高等优点，具有较好的推广示范价值，另外，软件的灵活性还有利于设备的改造和升级；

2、通过 RS485 模块、Zigbee 模块、RS232 模块和 Usb 模块可与步进电机驱动器进行多种方式的通信，克服现有物理连接通信的不足，使步进电机驱动器能够适应不同的工业需求；

3、故障检测模块可以对步进电动机驱动器进行自检，及时发现驱动器的隐患，快速地确定步进电动机驱动器的故障点，明确故障位置与类型，方便了驱动器的日常维护器；

4、电源转换模块能输出用户所需的多种直流电，并设置有漏电保护电路，使用更为安全；

5、设置独特的高压电解电容，具有内阻小、功率大、循环性好等特点；

6、保护模块在步进电动机发生故障时通过功能模块进行告警，在不同的电压下能有效的保护步进电机驱动器不受损坏，延长了步进电机驱动器的使用寿命；

7、其结构简单，操作方便投入成本低。

附图说明

图1为本发明基于可编程控制器的步进电动机控制系统的结构示意图；

图2为本发明基于可编程控制器的步进电动机控制系统中电动机驱动器的结构示意图；

图3 为本发明基于可编程控制器的步进电动机控制系统中电源转换模块的电路图；

图4为本发明基于可编程控制器的步进电动机控制系统中可编程控制器的程序流程框图。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提出一种基于可编程控制器的步进电动机控制系统，包括可编程控制器、液晶触摸屏、步进电动机驱动器、步进电动机、电源转换模块和电流检测模块；

可编程控制器分别与液晶触摸屏、步进电动机驱动器、电源转换模块和电流检测模块相连，电源转换模块分别与步进电动机驱动器、步进电动机和市电源连接，步进电动机通过电流检测模块与可编程控制器连接。

如图2所示，本发明步进电动机驱动器包括单片机、驱动模块、功能模块、通信模块、故障检测模块和保护模块，驱动模块、功能模块、通信模块、故障检测模块和保护模块均与单片机连接，驱动模块分别与电源转换模块和步进电动机连接；

功能模块包括：报警指示灯、鸣器振动报警模块、USB模块和存储模块；

通信模块包括：RS485 模块、Zigbee 模块、RS232 模块和Usb 模块；

保护模块包括：欠压时能保存相应数据的欠压存储模块、过压时能保护驱动器的过压保护模块、高压时能控制驱动器停止工作的高压停机模块和过温保护模块。

保护模块在步进电动机发生故障时通过功能模块进行告警，具体为：当欠压时，报警指示灯红灯常亮，直至没电；当过压时，报警指示灯一直红黄交替闪烁；当高压时，驱动器停止工作，报警指示灯呈红色闪烁；当过温时，报警指示灯呈黄色常亮；报警指示灯亮时鸣器振动报警模块同时进行蜂鸣报警。

RS485 模块用于有线连接； Zigbee 模块用于步进电动机驱动器的无线通信；RS232 模块用于串口连接进行配置； Usb模块用于步进电动机驱动器与外界的数据交换；故障检测模块可以对步进电动机驱动器进行自检，快速地确定步进电动机驱动器的故障点，明确故障位置与类型。

如图3所示，本发明电源转换模块内部电路结构为：K-电源控制开关，K1、K2、K3、K4、K5-电容接入手动开关，ZL1、ZL2-电感，T-组合放大电路，LJ1、LJ2-电感控制继电器线圈，LJ-1、LJ-2-电感控制继电器的常闭开关，J-交直流输出切换继电器线圈 J1、J2、J3-交直流切换继电器的双向开关，Dn-整流滤波电路。

输入端L与电压档位选择电路连接，连接后分为两个支路，一个支路连接由两个三极管组成共集-共集的放大电路，再与漏电保护电路的输入端连接，另一支路连接整流滤波电路后，再与漏电保护电路的输入端连接；零线N连接交直流切换电路后，与漏电保护电路的输入端零线连接；

电压档位选择电路由相互并联、并可选择接入的多个电感及电容支路组成；

漏电保护电路包括电流互感器TA、脱扣开关QF、脱扣线圈KL、可控硅SCR、试验回路和漏电保护回路，漏电保护电路的输入端分为两个支路，一个支路连接由SB按钮和4.8k电阻组成的试验回路，并通过脱扣线圈KL与可控硅SCR连接，可控硅SCR连接漏电保护回路后与漏电保护电路的输入端零线连接，另一支路与脱扣开关QF一端连接；漏电保护电路的输入端零线与脱扣开关QF另一端连接。

电流互感器TA，又称为剩余电流互感器。正常情况下，火、零二极构成供电回路，流过L、N线的电流是相等的（实质上为同一电流），L、N均穿过TA，因两线中电流相等，由此形成的电磁场大小相等，方向相反，TA感应电势为零，可控硅SCR无触发电流信号，处于截止状态，脱扣线圈KL不能得电，脱扣开关QF正常闭合供电。

漏电情况下，当人体碰触火线时，火线电流经人体和大地构成回路，不再由N线返回电网，此时L线的电流大于N线电流，出现了所谓“剩余电流”。L线周围的电磁强度大于N线电磁强度，二者不能互相抵消，TA产生磁电感应，并由此产生触发电流，可控硅导通，KL线圈得电，QF受力产生脱扣动作现而开断，使供电中断，触电人脱离电源！SB按钮和4.8k电阻是试验回路。此电阻模拟人体电阻，当按下按钮时，产生45mA（大于30mA以上）的漏电流，使保安器产生脱扣动作。

放大电路的基极接电压电位选择电路的输出端，其集电极输出端连接电源控制开关K后接入漏电保护电路的输入端，其射极接漏电保护电路的输入端。

交直流切换电路通过输出切换继电器的常开、常闭开关，选择将整流滤波电路连接至交流电源输入端的零线上；输出切换继电器的常闭开关的两端分别为交流电源输入端的零线与漏电保护电路的输入端的零线；输出切换继电器的常开开关至少有三组，第一组将交流电源输入端的零线连制整流电路输入侧的电流输出端，第二组将整流电路输出侧的负极与漏电保护电路的输入端的零线连接，第三组将整流滤波电路的负极端与漏电保护电路的输入端的零线相连。

所述电容包括电极片、隔离膜、极柱和外壳；所述的电极片是由集流体及集流体表面的涂层构成；所述的涂层是由包括活性物质、导电剂、粘结剂，经溶剂调和并涂布在集流体表面后再经干燥而形成的薄层；所述的集流体单面涂层厚度为15～50微米，面或一面具有涂层的电极片，其厚度为35～120微米。

所述电流检测模块通过电流电压检测芯片MAX4172完成电流采集和检测；当电机的实际工作电流大于等于检测电流的门限时报警，直到故障排除，系统复位后报警解除。

所述电流检测模块可以进行修改，检测电路中需要测试的电流。

如图4所示，本可编程控制器的控制过程为：可编程控制器初始化后, 完成了距离设定，选择自动或手动运行方式后，再看系统是否有故障或是否到达原点，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，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，然后停止运行。

该系统的控制方法包括以下步骤：

① 市电源经过电源转换模块完成电压转换，操作人员设定电源转换模块的电压档位，选择合适的输出电压；

② 操作人员通过液晶触摸屏完成步进电机的相关设置，包括正反转控制、稳定状态步数和频率；

③ 步进电动机驱动器完成步进电机的正常驱动；

④ 电流检测模块完成电流采集和检测；

⑤ 步进电动机运行过程中，液晶触摸屏上实时显示当前步进电机的性能情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于可编程控制器的步进电动机控制系统，其特征在于，包括可编程控制器、液晶触摸屏、步进电动机驱动器、步进电动机、电源转换模块和电流检测模块；

所述可编程控制器分别与液晶触摸屏、步进电动机驱动器、电源转换模块和电流检测模块相连，电源转换模块分别与步进电动机驱动器、步进电动机和市电源连接，步进电动机通过电流检测模块与可编程控制器连接。

2.根据权利要求1所述基于可编程控制器的步进电动机控制系统，其特征在于，所述步进电动机驱动器包括单片机、驱动模块、功能模块、通信模块、故障检测模块和保护模块，驱动模块、功能模块、通信模块、故障检测模块和保护模块均与单片机连接，驱动模块分别与电源转换模块和步进电动机连接；

功能模块包括：报警指示灯、鸣器振动报警模块、USB模块和存储模块；

通信模块包括：RS485 模块、Zigbee 模块、RS232 模块和Usb 模块；

保护模块包括：欠压时能保存相应数据的欠压存储模块、过压时能保护驱动器的过压保护模块、高压时能控制驱动器停止工作的高压停机模块和过温保护模块。

3.根据权利要求2所述基于可编程控制器的步进电动机控制系统，其特征在于，所述保护模块在步进电动机发生故障时通过功能模块进行告警，具体为：当欠压时，报警指示灯红灯常亮，直至没电；当过压时，报警指示灯一直红黄交替闪烁；当高压时，驱动器停止工作，报警指示灯呈红色闪烁；当过温时，报警指示灯呈黄色常亮；报警指示灯亮时鸣器振动报警模块同时进行蜂鸣报警。

4.根据权利要求2所述基于可编程控制器的步进电动机控制系统，其特征在于，所述RS485 模块用于有线连接；所述Zigbee 模块用于步进电动机驱动器的无线通信；所述RS232 模块用于串口连接进行配置；所述Usb模块用于步进电动机驱动器与外界的数据交换；所述故障检测模块可以对步进电动机驱动器进行自检，快速地确定步进电动机驱动器的故障点，明确故障位置与类型。

5.根据权利要求1所述基于可编程控制器的步进电动机控制系统，其特征在于，所述电源转换模块内部电路结构为：输入端L与电压档位选择电路连接，连接后分为两个支路，一个支路连接由两个三极管组成共集-共集的放大电路，再与漏电保护电路的输入端连接，另一支路连接整流滤波电路后，再与漏电保护电路的输入端连接；零线N连接交直流切换电路后，与漏电保护电路的输入端零线连接；

所述电压档位选择电路由相互并联、并可选择接入的多个电感及电容支路组成。

6.根据权利要求5所述基于可编程控制器的步进电动机控制系统，其特征在于，所述电容包括电极片、隔离膜、极柱和外壳；所述的电极片是由集流体及集流体表面的涂层构成；所述的涂层是由包括活性物质、导电剂、粘结剂，经溶剂调和并涂布在集流体表面后再经干燥而形成的薄层；所述的集流体单面涂层厚度为15～50微米，面或一面具有涂层的电极片，其厚度为35～120微米。

7.根据权利要求1所述基于可编程控制器的步进电动机控制系统，其特征在于，所述电流检测模块通过电流电压检测芯片MAX4172完成电流采集和检测；当电机的实际工作电流大于等于检测电流的门限时报警，直到故障排除，系统复位后报警解除。

8.根据权利要求1所述基于可编程控制器的步进电动机控制系统，其特征在于，所述电流检测模块可以进行修改，检测电路中需要测试的电流。

9.根据权利要求1所述基于可编程控制器的步进电动机控制系统，其特征在于，所述可编程控制器的控制过程为：可编程控制器初始化后, 完成了距离设定，选择自动或手动运行方式后，再看系统是否有故障或是否到达原点，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，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，然后停止运行。

10.根据权利要求1所述基于可编程控制器的步进电动机控制系统，其特征在于，该系统的控制方法包括以下步骤：

① 市电源经过电源转换模块完成电压转换，操作人员设定电源转换模块的电压档位，选择合适的输出电压；

② 操作人员通过液晶触摸屏完成步进电机的相关设置，包括正反转控制、稳定状态步数和频率；

③ 步进电动机驱动器完成步进电机的正常驱动；

④ 电流检测模块完成电流采集和检测；

⑤ 步进电动机运行过程中，液晶触摸屏上实时显示当前步进电机的性能情况。