PLC控制的步进电机门系统

罗恒年

广州市机电技师学院 广东广州 510370

PLC控制的步进电机门系统

罗恒年

广州市机电技师学院 广东广州 510370

随着人们生活水平的不断提高，电梯的应用越来越广泛，同时对电梯运行性能的要求也越来越高，这其中包括可靠性和安全性方面的要求。门机系统是电梯系统中维修量最多的部分，其性能的好坏直接影响电梯的整体效果。在用的绝大多数门机系统主要通过改变直流电动机的电枢回路的电压实现开关门速度的变化，这种调速度方法需要串、并联电阻，造成能源的浪费；开关门速度的变化需要通过凸轮通断限位开关，容易出现故障，这种门机系统可靠性差、维修量大、效率较低。因此，电梯从业人员不断尝试各种先进的技术应用于门机系统，以提高门系统运行的稳定性。本设计介绍一种新型的门机控制系统PLC控制的步进电机门系统。

门机系统；PLC；步进电机

一、电梯门系统的作用和要求

电梯门系统起隔离轿厢与井道、层站与井道以及供乘客和物品进出轿厢的作用，是为了防止乘客和物品坠入井道或轿厢内乘客和物品与井道相撞而发生事故。电梯门系统是电梯的重要安全保护装置。

电梯门机系统除了能自动开、关电梯门，还应具有自动调速的功能，以避免在开、关门终端时发生撞击。为了满足开、关门快速及开、关门终端又不发生撞击的要求，电梯在开、关门过程中应具有合理的速度变化，其开、关门的速度变化过程分解后应是：

1.开门过程：要求实现“慢—快—慢—停”的开门过程。开门过程的速度变化曲线如图1所示。

2.关门过程：要求实现“快—慢—更慢—停”的关门过程。关门过程的速度变化曲线如图2所示。

图1 开门过程的速度变化曲线

图2 关门过程的速度变化曲线

二、电梯门系统的现状以及技术分析

现时国内正在使用的电梯门系统，绝大多数是20世纪80年代后期的定型产品，该系统是一种有级调速的直流拖动系统，使用很多机械位置式的电气开关，开、关门传动机构比较复杂。

这种电梯门系统存在以下缺点：

1.直流电动机内部的直流换向器和炭刷容易磨损；采用机械位置式开关改变直流电动机速度的方式属于有级调速。

2.改变电动机电枢回路的电阻实现开关门速度控制的方式，由于运行过程中需要不断切换电枢回路的电阻，机械位置式开关容易损坏，动作不灵敏，可靠性差；采用电阻降压调速的方式造成能源的白白浪费。

3.开、关门电气控制电路中的继电器和自动门锁部分的电气联锁使用一段时间后其触点往往会接触不良。

由于电梯在运行过程中，轿厢每次停靠楼层，门系统都要进行多次的开、关动作，造成这种门系统出现故障的几率较高。如何使电梯门系统运行可靠、性能稳定，既是各电梯厂家研究的重点，也是电梯教学的重点部分。

为了改善以上电梯门系统存在的缺点，需要寻找一种性能稳定、容易进行调速控制的电动机代替直流电动机，并采用先进的控制方式，使开关门更准确、可靠、舒适。

PLC控制的步进电机门系统采用步进电机代替直流电动机，步进电动机由于采用脉冲信号驱动，反应灵活，位移控制准确，并且用PLC控制技术对步进电机进行数字控制，可以克服直流门机系统的缺点。

三、步进电动机的工作原理

步进电动机是一种将电的脉冲信号转换成相应的角位移(或线位移)的机电元件，通俗地讲，就是外加一个脉冲信号给步进电动机，它就运动一步，其运动形式是步进的，故称步进电动机。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，当有脉冲信号输入时，步进电动机根据脉冲信号一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。

控制步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数成正比，在时间上与输入脉冲同步；步进电动机的转子速度取决于脉冲信号的频率；步进电动机的旋转方向决定于交流电的相序；因此只要控制输入脉冲的数量、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。在没有脉冲输入时，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。

四、步进电动机的特点

步进电动机可以直接将电脉冲信号变换成相应的机械位移，符合数字控制系统的要求，此外，步进电动机还有一系列的特点和优点，例如：（1）步距值不受各种干扰因素的影响，如电压的大小、电流的数值、波形、温度的变化等等，相对来说，都不影响步距值，也就是说，转子运动的速度主要取决于总的脉冲信号数；（2）误差不长期积累。每转一圈的累积误差为零，所以步距的误差不是长期地累积下去的；（3）控制性能好。起动、停止、反转及其他任何运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行，任何运行方式都不会丢失一步。

步进电动机由于它独特的优点，作为伺服电动机应用于控制系统时，往往可以使系统简化，工作可靠，成本低，而且获得较高的控制精度。

五、PLC控制的步进电机门系统

在PLC控制的步进电机门系统中，用步进电机代替原系统的直流电动机，用PLC机代替原系统的电气开关，对步进电动机进行控制。

在本系统中，PLC是控制装置，根据设定的程序产生相应的脉冲个数（如4脉冲或6脉冲）、控制脉冲的输出速度及脉冲的相序，从而达到控制步进电动机的加速、减速、正转及反转。脉冲的输出个数可以通过控制PLC机内置计数器的参数获得，脉冲的输出速度可以通过控制PLC机内置定时器的参数获得，编写PLC程序时对定时器、计数器进行设置、调试，可以满足门系统的控制要求。

PLC的优点是功耗小，体积小，功能强大，价格便宜，可以安装在轿门上方，而且可以通过反馈的脉冲检测门系统的运行状况，从而将不同的故障用数字形式显示，减少查找故障的时间，节省维修保养的成本。

在本系统中，步进电动机是控制装置。给步进电动机通入直流电，当步进电动机接收到一个脉冲信号，步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，实现对开、关门位移的控制；同时通过控制脉冲的频率，实现对步进电动机转动的速度和加速度大小的调节，从而达到调速的目的。控制单位时间内提供给步进电机的脉冲数目，就可以实现开、关门时速度的变化时刻和门速的变化，让开关门的速度曲线更加平滑，从而改良传统门机系统台阶式变化的速度曲线，使开、关门更柔和。本系统可实现开、关门的准确定位及速度控制，使开、关门过程的工作更可靠，稳定性强，从而减少电梯运行过程中门机系统的故障率。

步进电动机的接线原理比较简单，图3是四相六线制步进电动机的接线原理图，这种步进电动机既可作为四相电动机使用，也可以作为两相电动机使用，变换灵活，因此这种电动机得到广泛的应用。在图中总共有6条线，A+，A-和0+组成一个线圈，B+，B-，和0-组成另一个线圈。0+，0-分别是2个线圈的地线，A+，A-，B+，B-则是4个相线。

图3 四相六线制步进电动机原理图

在上图中，步进电动机的0+与0-是连接在一起的公共端，既可作为直流电的正极输入端，也可作为直流电的负极输入端。假如公共端接直流电的负极，如果要步进电动机正转，脉冲输出见表1，在表中，共有4个时序，在每一个时序内，只有一相为高电平脉冲，其余相都是低电平脉冲，经历四个时序后，继续循环变化。如果每个时序使步进机转1.8度，则旋转1周，则需要200个脉冲。每个时序所用时间越短，则步进电动机的转速越快。如果要步进电动机反转，则将表1中的接线顺序由A+，B+，A-，B-变为B-，A-，B+，A+就可以实现（见表2）。

表1

表2

图4 本次设计使用的步进电动机的外型图

1.本系统的接线图

图5 PLC输入、输出接线图

图6 步进电动机脉冲信号输入的接线图

步进电动机正转时继电器的导通顺序：

2.本系统的控制程序

（1）PLC的I/O分配见表3：

表3

（2）PLC控制程序：

3.PLC控制的步进电机门系统的优点

(1)PLC机的采用，可以使系统工作稳定，达到节能，减少查找故障的时间，节省维修保养的成本。

(2)步进电动机的采用，使系统简化，工作可靠，成本低，能获得较高的控制精度。

(3)定时器、计数器的选用，能精确控制及定位，满足开、关门的调速需求，可克服机械调速所出现的机械磨损、接触不良及误动作等故障，大大减少维修量。

(4)采用数字控制技术，实现无级调速，使开、关门更舒适。

六、本系统要着重解决的两个问题

在设置脉冲信号的频率参数时，要注意步进电动机的起动频率不能超过其空载频率，否则步进电动机就不能起动；而且速度越快，步进机的转矩越小，所以在设置定时器、计数器的参数时，要考虑步进电动机的空载频率和启动转矩。

本系统中，步进电动机采用直流电源供电，对此直流电源的要求很高，其电压的波动范围不能超过步进电动机允许的电压值，否则在启动和制动时，使步进电动机误把电压的波动当作是脉冲信号，造成多余的动作，影响控制精确。另外，直流电源的电流值要足够大，否则步进电动机只能进行没有“力”的运行（不是不能运行）。

PLC控制的步进电机门系统是一种新型的门机系统，是新技术应用于门机系统的体现，是一个大胆的尝试。这种门系统还需要进行多方面的改善，以便更好地为电梯运行作出贡献。

[1]叶安丽.电梯控制技术[M].北京：机械工业出版社，2008

[2]钟肇新，范建东.可编程控制器原理及应用[M].广东：华南理工大学出版社，2003

[3]谭维瑜.电机与电气控制[M].北京：机械工业出版社，2004

PLC-controlled stepper motor door system

Luo Hengnian
Guangzhou electromechanical technician college，Guangzhou，510370，China

With the continuous improvement of people's living standard, the application of elevator is getting more and more extensive while the elevator operating performance requirements are getting higher and higher,which includes reliability and safety requirements. Since door system is the largest part in the amount of elevator systems’maintenance, its performance will affect the overall performance of the elevator.Therefore, in order to enhance the stability of the door system operation, employees have been trying to apply various advanced technology to door system. This design is aimed to introduce a new type of elevator door control system-PLC-controlled stepper motor door system.

door system; PLC; stepper motor

2010-04-08

罗恒年,本科，讲师。