PLC—步進電機控制系統及其在軸溫檢測中的應用

分類：技術教程日期：2007-03-26 00:00:00

1 引言
目前，隨著我國經濟的發展，鐵路運輸的緊張狀況將愈來愈突出，為解決鐵路運輸緊張的局面，鐵道部提出提速問題。但隨著車速的提高，車輪軸承溫升問題愈發重要。這就需要加強對軸承溫升的監控。
當有火車經過時，其自身不停地向外輻射紅外熱能，從而在物體表面形成一定的溫度場，利用安裝于鋼軌兩側的熱像儀吸收車輪發出的這種紅外輻射能量，將其熱像顯示在熒光屏上，從而準確判斷物體表面的溫度分布情況,對溫升超標的車軸實時報警，避免由于車軸熱切而造成列車脫軌或顛覆等事故的發生。本文采用PLC控制步進電機驅動熱像儀來檢測車輪軸溫。

2 系統設計
現代的運動控制方法主要有直流伺服驅動、交流伺服驅動、步進伺服驅動。其中交流伺服驅動的性能最好，但價格較高。隨著步進伺服驅動控制技術迅速發展，步進伺服驅動細分精度日益提高，且逐步克服了振蕩，失步的不足，其性價比大幅度提高。步進電機可直接用數字信號控制，無需反饋可開環工作，無累積定位誤差，控制精度高，因此被廣泛用于數字控制和計算機控制等精密定位的控制系統中。
可編程序控制器PLC是一種適于工業現場控制的技術平臺。PLC綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術，使用面向過程、面向用戶的簡單編程語言，用戶可通過軟件設計，實現各種復雜的邏輯控制。PLC具有較好的實時刷新功能，可以產生一定頻率的脈沖信號，而且PLC具有大功率的晶體管輸出接口，能夠滿足步進電機繞組的電壓和電流要求。因此，本系統采用可編程控制器(PLC)為控制核心，步進電動機為執行元件、傳感器為檢測元件的新型系統，實現對溫升的檢測，系統的結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖
當有火車駛來時，傳感器將檢測到的速度脈沖信號送入PLC接口X0，PLC根據這個脈沖信號計算出相應的火車速度，并輸出一個相應的速度脈沖信號給步進電機驅動器，驅動器控制步進電機，使其驅動熱像儀做半圓周運動，當熱象儀速度與火車速度相同或相近時，對火車車輪進行跟蹤拍照，從而確定車輪軸溫。紅外探測器沿鐵軌進行布置;熱像儀安放在離車軌距離約1m的架子上。
用于步進電機的角位移與輸入脈沖的個數成正比;轉速與脈沖頻率成正比;轉向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關。因此利用PLC可產生一定周期的控制脈沖，使移位寄存器移位，產生相應時序，通過環形分配器使輸出繼電器按時序接通驅動步進電機并由計數器控制脈沖個數，使步進電機按一定速度，轉動一定的角度。根據功能要求，綜合考慮步進電機的性能，選擇兩相混合步進電動機2S42Q-03848，步距角，相電流1.2A，保持力矩0.32Nm，用于驅動熱象儀;步進電機驅動器選用2M412，電源電壓DC為18V~36V，它根據PLC的控制指令對電機實現脈沖和方向控制。PLC對電機的控制有兩種方式，一種是脈沖+方向控制(Y0、Y2輸出脈沖、Y1、Y3輸出方向)，一種是正反向脈沖輸出(Y0輸出CW脈沖，Yl輸出CCW脈沖)，我們采用第一種方法。

3 控制系統的實現
在本系統中，如何使PLC根據脈沖寬度計算出火車的相應速度是十分關鍵的。我們選用臺達PLC DVP16EH00T，共8點輸入(X0~X7)，8點輸出(YO~Y7)，控制步進電機的工作狀態和轉速;除具有一般邏輯控制與運算功能、PLSY脈沖直接輸出等外，更重要的是它的SPD脈沖速度偵測功能，可以方便的用來測量車速。
SPD的控制格式:
當控制信號為ON時，D1計算由X0所輸入的高速脈波，40ms之后自動停止計算，結果被存于D0中，40ms計時完畢時，D1內容被清除為0，當控制信號再度為ON時，D1重新接受計數。SPD指令主要目的在求出回轉速度的比例值，而測得之D0的結果與回轉速度成比例，由下列公式求得電機轉速[2]。

式中: N:轉速;
n:旋轉設備轉一圈所產生的脈波數;
t:偵測時間(ms)。
系統的控制接線圖如圖2所示，I/O口及其功能如表1所示。

圖2 系統控制接線圖

表1 系統中各I/O功能表

4 系統軟件設計
步進電機工作都要經過加速→高速→減速→低速→停止的過程，它的脈沖頻率特性如圖3示。其中0a段為加速階段，由0加速到f1;ab段為高速(勻速)運行階段;bc段為減速運行階段，由f1減速到f2;cd段為低速運行階段，直至到d點停止。

圖3 脈沖頻率特性
PLSR指令為附加減速功能的脈沖輸出指令，通過設定脈沖輸出的最大頻率值，全部脈沖輸出的總脈沖數和加減速的時間，來控制步進電機的速率及轉向。該指令的加減速的變速段數固定為10段，輸出時以每次增加S1/10的頻率開始輸出脈沖，每個頻率輸出脈沖的時間都是固定S3/9。圖4是根據電氣控制原理，結合PLC的程序設計方法和生產工藝要求，設計的控制軟件程序流程圖。