農(nóng)機(jī)中的PLC 調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)控制方法的改善研究

何璐兵

【摘?? 要】 步進(jìn)電機(jī)具有很好的實用性，不論是從較低的上手難度還是從低廉的維護(hù)費用方面來說，都是在水輪機(jī)上能夠做到長期使用的工具，但是由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動是在油料的驅(qū)動下進(jìn)行，這就導(dǎo)致了機(jī)器容易產(chǎn)生油污，對長期的使用造成一定困擾，s7-200是一種可編程小型機(jī)械，在對脈沖的控制上，能夠提供較好的效果，對農(nóng)機(jī)中的PLC調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)控制方法有很好的改良作用。

【關(guān)鍵詞】 農(nóng)機(jī)中的PLC;步進(jìn)電機(jī);改善;編程

中圖分類號：TM3?????????????? 文獻(xiàn)識別碼：A?????????????? 文章編號：2096-1073（2020）11-0060-62

[Abstract] Stepper motor has good practicability， whether from the lower difficulty of starting hand or from the low maintenance cost， it is a tool that can be used in hydraulic turbine for a long time， but because the drive of stepper motor is driven by oil， it is easy to produce oil pollution and cause some trouble for long-term use. s7-200 is a programmable small machine， which can provide better effect on pulse control and improve the control method of PLC governor stepping motor in agricultural machinery.

[Key words]? PLC; stepping motor in farm machinery; improvement; programming

水輪機(jī)可編程農(nóng)機(jī)中的調(diào)速器（簡稱PLC調(diào)速器）是用于水電站建設(shè)的一種常見裝置，在上世紀(jì)九十年代投入到水電生產(chǎn)之中，其主要的優(yōu)點是具有較強(qiáng)的可靠性，同時操作難度較低，再加上學(xué)習(xí)的方式較為簡單，所以在水電工程上適用性較廣。

1? 農(nóng)機(jī)中的PLC調(diào)速器

PLC是指Program mable Logic Controller，即可編程邏輯控制器，其主要是為工業(yè)生產(chǎn)所服務(wù)的一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，它是一種即時系統(tǒng)，主要采用可編程的存儲器，在其內(nèi)部進(jìn)行程序的存儲，從而進(jìn)行邏輯運算，最終完成順序控制、定時操作、計數(shù)以及算術(shù)的操作等指令，并且該系統(tǒng)能夠通過數(shù)字控制其的輸入與輸出，從而保證各類機(jī)械的生產(chǎn)或運作過程符合要求。

水輪機(jī)是一種廣泛運用于水中的器械，能夠在一定的條件下將水流的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械動力，作為一種透平機(jī)械，水輪機(jī)能夠在有水流的地方產(chǎn)生強(qiáng)大的動能，所以在水利發(fā)電領(lǐng)域被廣泛使用。

2? 農(nóng)機(jī)中的PLC調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)存在的問題

作為電機(jī)，油污是必須要面對的東西，在電機(jī)的運行過程中，油污的產(chǎn)生是不可避免的，在油污產(chǎn)生的情況之下，電機(jī)中關(guān)于電氣到機(jī)械再到液壓轉(zhuǎn)換的過程中，可靠性就會變得非常差，這樣的方式對整個機(jī)械的運作傷害是非常大的，同時效率也會受到一定的限制，所以在這一方面，相關(guān)單位陸續(xù)推出了多種解決方案，其中改動最多的地方就是將原先的電液轉(zhuǎn)換器更換成為步進(jìn)電機(jī)，同時對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行可編程操作，以此來減少油污對于效率的損害，這種做法在一定程度上減輕了因油污而導(dǎo)致的問題，但是可編程操作在步進(jìn)電機(jī)的運用上還存在一定的問題。

首先是步進(jìn)式可編程調(diào)速器在電機(jī)的驅(qū)動上存在一些問題，在水輪機(jī)使用中，需要對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，很多農(nóng)機(jī)中的PLC調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)采用的啟動方式過于簡單，這就會讓轉(zhuǎn)子的慣性影響到步進(jìn)電機(jī)，最終會導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失去同步功能，這樣的事情并不是個例，很多操作人員在使用過程中都會出現(xiàn)類似的問題。其次是在步進(jìn)電機(jī)的運轉(zhuǎn)過程中，由于電機(jī)中的電子脈沖設(shè)備突然失靈的情況發(fā)生，直接就會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生位置上的偏移，最終導(dǎo)致了變速器不能夠正常的運行。

所以要想對其精度進(jìn)行控制，首先就需要對步進(jìn)電機(jī)的動力學(xué)特征以及其升降曲線進(jìn)行掌握，這種預(yù)測曲線是較為復(fù)雜的，所以在一定程度上需要對其進(jìn)行模擬，只有這樣才能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行一系列精確的流程設(shè)計，讓電機(jī)的控制達(dá)到一種較為精確的程度。

3? s7-200小型可編程控制器

s7-200是一種小型的可編程控制器，所以從適用性角度而言有一定的參考價值。由于s7-200具備高頻脈沖輸出功能，尤其是其信號最高可達(dá)20kHZ，所以在對其功能的反饋上可以做到更加精確，同時對定位來說可以做到更加準(zhǔn)確。

在步進(jìn)電機(jī)中，其工作效率主要是通過控制系統(tǒng)對其進(jìn)行加減速來決定的，所以在加減速的特性方面，一定要做到完全的控制，這樣才能夠避免出現(xiàn)電機(jī)運行精度差、不轉(zhuǎn)、升降速度慢的問題?？梢詫Ω咚倜}沖串的時間間隔進(jìn)行調(diào)整，從而在提速過程中加大脈沖串的密集程度，減速時降低，同時在一定的時間之內(nèi)對其進(jìn)行斷電，以此來對電機(jī)的變速進(jìn)行控制，發(fā)生這樣的情況所要具備的條件是將s7-200通過脈沖放大單元進(jìn)行指令的實現(xiàn)，這樣做的好處就是成本能夠顯著降低。

由于s7-200有兩個發(fā)生器，分別是PTO與PWM發(fā)生器，PTO發(fā)生器能夠產(chǎn)生鈣素脈沖串，而PWM發(fā)生器則能夠產(chǎn)生寬度可調(diào)的波形，這就讓二者形成互補(bǔ)，在使用的過程中能夠在一定程度上解決在脈沖控制上的問題[1]。

PTO在脈沖串的輸出上，用戶可以對其周期以及數(shù)量進(jìn)行一定控制，而PWM則是能夠在寬度以及周期上進(jìn)行控制，同時二者的加速單元也存在一定的區(qū)別，PTO加速單元有一個八位的控制字節(jié)，同時有一個十六位的無符號脈寬值，而PWM發(fā)生器則是由一個十六位五符號的周期和一個三十二位無符號脈沖計數(shù)值。雙方的數(shù)值都會在s7-200的特殊儲存器中得以儲存，在儲存器進(jìn)行設(shè)置之后，就可以對脈沖進(jìn)行指令的下發(fā)，而指令會讓CPU儲存器中的位置進(jìn)行對照，最終對發(fā)生器進(jìn)行編輯。

在對PTO或PWM進(jìn)行控制的時候，需要注意PTO以及PWM的控制寄存器，可執(zhí)行脈沖指令會從控制寄存器中讀取數(shù)據(jù)，以達(dá)到對程序的控制，所以在執(zhí)行脈沖指令的時候，必須對寄存器進(jìn)行設(shè)置，這樣才能夠保證部件功能能夠運行[2]。

在對于PTO的操作上，需要預(yù)先對其進(jìn)行一定的設(shè)置，而由于PTO功能的范圍要求較為精確，所以在使用的過程中需要對數(shù)值進(jìn)行精確，其中，周圍范圍是10-65535μs或者存在2-65535ms。脈沖的范圍則是：1-4294967295。而PTO的發(fā)生器有兩種模式，分別是單段線管以及多段線管，尤其是在PTO發(fā)生器中的多段線管對于步進(jìn)電機(jī)的控制作用非常好。

在PTO多管線模式中，CPU的變量在存儲區(qū)會建立一個包絡(luò)表，其中存儲了各個脈沖串的控制參數(shù)，在執(zhí)行指令的時候，CPU會自動從其中讀出控制，由于是多管線模式，其中的數(shù)據(jù)會根據(jù)輸入時候的指令依次進(jìn)行讀取，最終達(dá)到控制的效果，而且其中的元素周期變量可以選擇單位，需要保證所有的周期都能夠在同一個時間基準(zhǔn)下進(jìn)行。

對于步進(jìn)式水輪調(diào)速器來說，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)在加速以及減速功能方面所變出出來的特性與工作效率的好壞息息相關(guān)。如果其設(shè)計參數(shù)出現(xiàn)疏漏，則會導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)失步（運行精度不夠到位）、堵轉(zhuǎn)以及升速或降速過程進(jìn)展緩慢（運行效率差）等不良現(xiàn)象。而PTO可通過計算包絡(luò)參數(shù)來實現(xiàn)對控制器的編程，從而有效地解決上述可能出現(xiàn)的問題。例如，如果接力器運行完整個行程時所對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)總共運行3000步，而步進(jìn)電機(jī)需要完成啟動、運行以及減速等3個階段的工作，這樣一來就必須提供3000個脈沖。啟動與減速所需達(dá)到的頻率通常為16Hz，脈沖頻率的最大值為1KHz。對于包絡(luò)表而言，其數(shù)值通常是按照周期來進(jìn)行表示的，并非是頻率的形式，故而需要將所提供的頻率值通過分析來轉(zhuǎn)化為周期值。啟動與減速操作所需周期為62.5ms，頻率最大值所對應(yīng)的周期數(shù)值為1ms。先要求加速階段在125個脈沖時間內(nèi)務(wù)必要達(dá)到脈沖的最大頻率，即1KHz，同時減速階段務(wù)必要在250個脈沖時間內(nèi)結(jié)束。PTO發(fā)生器可以用來對給定脈沖周期所對應(yīng)的周期增量進(jìn)行合理你的調(diào)整。以ETC表示這一階段的結(jié)束周期，ICT表示這一階段的初始周期，Q表示這一階段的脈沖數(shù)，則周期增量的表達(dá)式為：周期增量=（ECT-ICT）/Q。通過這一表達(dá)式便可以計算出第一階段（即整個加速階段）周期增量的數(shù)值為-192，第三階段（即整個減速階段）周期增量的數(shù)值為246.對于第二階段而言，該階段旨在做到恒溫控制，故而這一階段周期增量的數(shù)值為0。同理，當(dāng)接力器由0走到整個行程的25%、50%、75%時。其運行控制也可以分為啟動、運行以及減速等三大階段，此時其所需的脈沖數(shù)分別為750個、1500個以及250個，其余情況下的計算方法與上述計算過程類似。PTO發(fā)生器可以借助包絡(luò)表的計算而獲取到脈沖周期所需的周期增量，而包絡(luò)表自身能夠通過與之相對應(yīng)的用戶程序中的相關(guān)指令來被存放到V存儲器當(dāng)中，進(jìn)而發(fā)揮作用以對脈沖周期做出合理的調(diào)整。

4? 程序?qū)嶋H操作

在程序進(jìn)行實際使用的時候，首先需要對PTO多段操作進(jìn)行初始化，防止上次的數(shù)據(jù)殘留影響本次結(jié)果，最終造成操作失敗，在初始化的同時，需要對第一掃描內(nèi)存進(jìn)行復(fù)位輸出，并且對將要調(diào)用的子程序同樣進(jìn)行初始化，這樣做一方面可以對掃描的時間進(jìn)行優(yōu)化，同時能夠使內(nèi)部程序在一定程度上得到優(yōu)化。隨后對子程序進(jìn)行輸入，其中輸入的單位以及數(shù)據(jù)應(yīng)該以實際操作需要為準(zhǔn)，對PTO和PWM兩個功能進(jìn)行挑選，選中PTO之后，將工作方式切換為多段操作模式，并且將單位進(jìn)行設(shè)置。上述設(shè)置完畢之后，就需要對起始變量進(jìn)行存入，其中主要的數(shù)據(jù)就是關(guān)于起始變量的內(nèi)存偏移量。在設(shè)置完成之后，對包絡(luò)表內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行對照，防止出現(xiàn)數(shù)值錯誤，最后對PTO/PWM內(nèi)部進(jìn)行程序編輯，同時執(zhí)行脈沖指令，使用完畢之后，退出子程序[3]。

5? s7-200的優(yōu)勢

首先，在步進(jìn)電機(jī)的工作中，由于工作的要求以及電機(jī)本身設(shè)計時存在的一定限制，會導(dǎo)致油污的問題層出不窮，因為電機(jī)出現(xiàn)事故而停止生產(chǎn)的情況比比皆是，嚴(yán)重耽誤了工作效率。在這樣的情況下，對s7-200的使用能夠很好地解決這樣的問題，選擇這樣的工具無疑會提高整體的效率，同時能夠讓工作變得更加輕松、省心[4]。

其次就是這樣的操作方式對于技術(shù)的要求并不繁瑣，只需要知道具體的操作，就可以對其進(jìn)行完整的控制，這樣的方式能夠讓效率得到提升，增強(qiáng)了實用性。

再次，s7-200機(jī)器相對來說價格較為便宜，相對于整個水輪機(jī)來說，無疑是非常廉價的[5]。有這樣的機(jī)械存在，那么在一定的程度上能夠降低成本，同時由于解決了油污的問題，能夠讓成本再一次下降，對于相關(guān)單位來說，也能夠減輕經(jīng)濟(jì)以及人力上的壓力。

最后則是PLC調(diào)速器在脈沖控制方面能夠做到非常優(yōu)秀的地步，這樣就能夠有效減少機(jī)械的損耗，在一定的程度上對機(jī)械壽命進(jìn)行一定時間的延長[6]。提高了農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效益，最重要的是PLC可以進(jìn)行編程，可以將一些操作工序編入預(yù)先設(shè)置好的程序中，也就是說這樣的機(jī)械使用范圍更廣，更加能夠適合各種不同的情況。農(nóng)機(jī)中的PLC調(diào)速器能在步進(jìn)電機(jī)遇到問題的時候及時處理，同時在了解事故的原因之后，能夠?qū)⒁?guī)避方案輸入到程序之中，避免未來發(fā)生同樣失誤。

6? 結(jié)束語

在步進(jìn)電機(jī)的控制以及容錯改進(jìn)方面，PLC調(diào)速器主要就是通過對轉(zhuǎn)子的限制，從而達(dá)到控制電機(jī)的目的，這種方式在工業(yè)活動中被經(jīng)常使用，希望本文的這些分析可以幫助到相關(guān)人員。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 王姝，盧秀和.雙饋風(fēng)電機(jī)組雙PWM變換器控制技術(shù)的發(fā)展[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（10）：146-147.

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（編輯：李丹）