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引言 步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構，主要優(yōu)點(diǎn)是定位精度高、無(wú)位置累積誤差。并且與閉環(huán)控制系統相比，其特有的開(kāi)環(huán)運行機制能夠降低系統的成本、提高系統的可靠性，因此被廣泛應用于對精度要求較高的運動(dòng)控制系統中，如機器人、打印機、軟盤(pán)驅動(dòng)器、繪圖儀和機械閥門(mén)控制器等。目前，能夠對步進(jìn)電機進(jìn)行控制的主要有由分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器和專(zhuān)用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器體積比較大、可靠性較低;軟件環(huán)形分配器運行速度低;專(zhuān)用集成芯片環(huán)形脈沖分配器集成度高、可靠性好，但適應性差、開(kāi)發(fā)周期長(cháng)、費用較高。 德國西門(mén)子公司的S7-200[1] 是一種小型的可編程序控制器，其功能強大，無(wú)論在獨立運行中還是相連成網(wǎng)絡(luò )，皆能實(shí)現復雜控制功能，具有極高的性?xún)r(jià)比。本文利用S7-200作為核心控制器件，憑借其產(chǎn)生的脈沖和實(shí)時(shí)定位系統來(lái)實(shí)現步進(jìn)電機的控制。該控制器不但可以改善步進(jìn)電機在低速運行時(shí)振動(dòng)大、噪聲大的缺點(diǎn)，而且可以克服步進(jìn)電機在自然振蕩頻率附近運行時(shí)易產(chǎn)生共振、以及輸出轉矩隨著(zhù)步進(jìn)電機的轉速升高而下降等缺點(diǎn)，從而能夠顯著(zhù)地提高步進(jìn)電機的性能，拓寬步進(jìn)電機的應用領(lǐng)域。 步進(jìn)電機控制 步進(jìn)電機是數字控制電機，它區別于其他類(lèi)型的控制電機的最大特點(diǎn)是：通過(guò)輸入脈沖信號來(lái)進(jìn)行控制，即電機的總轉動(dòng)角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定[2]。當步進(jìn)驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，便驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”)。其旋轉是以固定的角度一步一步運行的，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機轉動(dòng)的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進(jìn)電機可分為反應式步進(jìn)電機(VR)、永磁式步進(jìn)電機(PM)和混合式步進(jìn)電機(HB)[3]。 步進(jìn)電機的驅動(dòng)電路根據控制信號進(jìn)行工作，控制信號由相應的控制器來(lái)產(chǎn)生，控制換相順序和通電換相。這一過(guò)程稱(chēng)為“脈沖分配”。例如：四相步進(jìn)電機的單四拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C-D。通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A、B、C、D相的通斷，控制步進(jìn)電機的轉向。如果給定工作方式正序換相通電，則步進(jìn)電機正轉;如果按反序換相通電，則電機就反轉。步進(jìn)電機接收到一個(gè)控制脈沖，便轉一步;再接收到一個(gè)脈沖，再轉一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機轉得越快。調整控制器發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機進(jìn)行調速[4]。 控制系統完成的功能 步進(jìn)電機的平穩起動(dòng)、加速、減速和平穩停止 這是控制系統首先要實(shí)現的功能[7]。S7-200中，支持高速輸出口PTO0/PTO1的線(xiàn)性加/減速，通過(guò)MicroWin向導程序，非常容易實(shí)現。實(shí)際上，以目前的情況，線(xiàn)性加/減速只能使用向導生成的程序，西門(mén)子沒(méi)有公開(kāi)獨立可使用的指令。 定位控制功能 定位控制、調節和控制操作之間存在一些區別。步進(jìn)電機不需要連續的位置控制，而在控制操作中得到廣泛應用[9]。借助于CPU214所產(chǎn)生的集成脈沖輸出和定位指令系統，確定相對一根軸的固定參考點(diǎn)，借助于一個(gè)輸入字節的對偶碼(Dual coding)給CPU指定定位角度，在程序中根據該碼計算出所需的定位步數，再由CPU輸出相關(guān)個(gè)數的控制脈沖，通過(guò)步進(jìn)電機來(lái)實(shí)現相對的定位控制。 額定電流可調等角度恒力矩細分驅動(dòng)方法的功能實(shí)現 步進(jìn)電機的驅動(dòng)方式有多種，如恒電壓、恒電流等多種形式。而這些方式都存在一定的缺陷，特別是在低速運行時(shí)的振動(dòng)大、噪聲大和在步進(jìn)電機自然振蕩頻率附近運行時(shí)易產(chǎn)生共振，且輸出轉矩隨著(zhù)步進(jìn)電機的轉速升高而下降等缺點(diǎn)。為了改變上述缺陷，本文采用了額定電流可調等角度恒力矩細分驅動(dòng)方案。該方案最主要的優(yōu)點(diǎn)是：步距角變小，分辨率高，提高了電機的定位精度、啟動(dòng)性能和高頻輸出轉矩，減弱或消除了步進(jìn)電機的低頻振動(dòng)，降低了步進(jìn)電機在共振區工作的幾率。一般細分驅動(dòng)只改變相應繞組中電流的一部分，電動(dòng)機的合成磁勢也只是旋轉步距角的一部分，繞組電流不是一個(gè)方波而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除，如圖1所示。 
其合成的矢量幅值是不斷變化的，輸出力矩也跟著(zhù)不斷變化，從而會(huì )引起滯后角的不斷變化。當細分數很大、微步距角非常小時(shí)，滯后角變化的差值已大于所要求細分的微步距角，使得細分失去了意義。據此分析，采用建立數學(xué)關(guān)系同時(shí)改變兩相電流，即Ia和Ib以某一數學(xué)關(guān)系同時(shí)變化，保證變化過(guò)程中合成矢量幅值始終不變。建立一種“額定電流可調的等角度恒力矩細分”驅動(dòng)方法，以消除力距不斷變化引起滯后角的問(wèn)題。這種合成矢量幅值保持不變的數學(xué)模型為：當 Ia=Imcosx，Ib=Imsinx時(shí)(式中Im為電流額定值，Ia、Ib為實(shí)際的相電流，x由細分數決定)，其合成矢量始終為圓的半徑，即恒力距; 等角度是指合成的力臂每次旋轉的角度一樣;額定電流可調是指可滿(mǎn)足各種系列電機的要求;細分為對額定電流的細分(如圖2a和2b所示)。
控制器設計 通常情況下，步進(jìn)電機驅動(dòng)系統由控制電路、驅動(dòng)電路和步進(jìn)電機三部分構成，如圖3a所示。圖3b為步進(jìn)電機驅動(dòng)控制電路的硬件連接框圖。
圖中I1.0、I1.1和I1.5為輸入控制信號端;Q0.0和Q0.1為兩路高速脈沖，分別負責驅動(dòng)電機開(kāi)啟定位和停止控制。 控制電路 控制電路用于產(chǎn)生脈沖，以控制電機的速度和轉向[5]。本設計中采用SIMATIC S7-200 CPU-214 PLC[6]作為控制核心部件。S7-200PLC 的CPU214有兩個(gè)脈沖輸出，可以用來(lái)產(chǎn)生控制步進(jìn)電機驅動(dòng)器的脈沖，實(shí)現控制要求。S7-200CPU 含有高速脈沖輸出功能，CPU脈沖輸出頻率達20KHz~100KHz，可以用來(lái)驅動(dòng)步進(jìn)電機或伺服電機，并由電機直接驅動(dòng)負載主軸旋轉，完成控制工藝所要求的動(dòng)作。 驅動(dòng)電路 驅動(dòng)電路由脈沖信號分配和功率細分驅動(dòng)電路組成。根據控制器輸入的脈沖和方向信號，為步進(jìn)電機各繞組提供正確的通電順序，以及電機需要的高電壓、大電流;同時(shí)提供各種保護措施，如過(guò)流、過(guò)熱等保護[7]。功率驅動(dòng)器將控制脈沖按照設定的模式轉換成步進(jìn)電機線(xiàn)圈的電流，產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)，使得轉子只能按固定的步數來(lái)改變它的位置[6]。連續的脈沖序列產(chǎn)生與其對應同頻率的步序列。如果控制頻率足夠高，步進(jìn)電機的轉動(dòng)可看作連續的轉動(dòng)。 步進(jìn)電機 控制信號經(jīng)驅動(dòng)器放大后驅動(dòng)步進(jìn)電機，帶動(dòng)負載[8]。用S7-200PLC Q0.0和Q0.1的輸出脈沖觸發(fā)步進(jìn)電機驅動(dòng)器。當輸入端I1.0發(fā)出“START”信號后，控制器將輸出固定數目的方波脈沖，使步進(jìn)電機按對應的步數轉動(dòng);當輸入端I1.1 發(fā)出“STOP”信號后，步進(jìn)電機停止轉動(dòng);接在輸入端I1.5的方向開(kāi)關(guān)位置決定電機正轉或反轉。本設計采用帶有標準功率驅動(dòng)器和相關(guān)連接電纜的步進(jìn)電機。 各組成模塊的選擇和功能 由于“額定電流可調的等角度恒力矩細分”驅動(dòng)方法的實(shí)質(zhì)是恒流控制，其關(guān)鍵是電流的精確控制，本設計在器件選擇是同時(shí)兼顧以下各個(gè)條件：D/A 轉換器輸出的電流值與期望值相當接近，而且轉換速度要快;SPI口通信，頻率高達50 MHz，建立時(shí)間快，同時(shí)單電壓供電，連接簡(jiǎn)單;檢測到的電流可正確地反映此時(shí)的相電流，采用的檢測方法為霍爾傳感器，該方法檢測準確、干擾小、連接也較簡(jiǎn)單;比較器分辨率高、轉換速度快;控制功率管開(kāi)關(guān)的邏輯電路有很高的實(shí)時(shí)性，保證相電流在設定電流上下做很小的波動(dòng)，避免了引起浪涌而干擾控制電路。 S7-200根據收到的脈沖信號進(jìn)行脈沖信號分配，確定各相通電順序，并與電流檢測模塊里的D觸發(fā)器相連。同時(shí)根據用戶(hù)設定的電流值和細分數通過(guò)SPI口與A/D轉換器通信，得到設定的電流值(實(shí)際上是電流對應的電壓值)。 A/D轉換器輸出的值為期望的電流對應的電壓值，它必須與從功率模塊檢測得到的電流對應的電壓值進(jìn)行比較，并把比較結果與電流檢測模塊里面的D 觸發(fā)器相連。 電流檢測模塊主要由D觸發(fā)器進(jìn)行邏輯控制。該模塊與電流、細分設定的撥碼開(kāi)關(guān)相連，把得到的值通過(guò)SPI口傳給單片機。以D觸發(fā)器為核心的控制邏輯，根據單片機的各相通電順序和比較器的比較結果確定各功率管的開(kāi)關(guān)。功率驅動(dòng)模塊直接與電機相連，驅動(dòng)電機�？刹捎�8個(gè)MOS管IRF740構成2個(gè) H橋雙極型驅動(dòng)電路。 軟件設計 在程序的編制中，為使步進(jìn)電機換向時(shí)平滑過(guò)渡，避免產(chǎn)生錯步，應在每一步中設置標志位[3]。在正轉時(shí)，不僅給正轉標志位賦值，也同時(shí)給反轉標志位賦值;在反轉時(shí)也需做如此處理。這樣，當步進(jìn)電機換向時(shí)，以上一次的位置作為起點(diǎn)反向運動(dòng)，避免了電機換向時(shí)產(chǎn)生錯步[10]。步進(jìn)電機控制系統的軟件主要由主控程序、細分驅動(dòng)程序、鍵處理程序、顯示數據處理及顯示驅動(dòng)程序、通信監控程序等部分組成。細分驅動(dòng)主控制程序控制整個(gè)程序的流程，主要完成程序的初始化、參考點(diǎn)的設置和取消、定位控制和電機的停止/啟動(dòng)等。初始化。在程序的第一個(gè)掃描周期，初始化重要參數。選擇旋轉方向和解除聯(lián)鎖。 設置和取消參考點(diǎn)。如果還沒(méi)有確定參考點(diǎn)，那么參考點(diǎn)曲線(xiàn)應從按“START”按鈕(I1.0)開(kāi)始。CPU有可能輸出最大數量的控制脈沖。在所需的參考點(diǎn)，按“設置/取消參考點(diǎn)”開(kāi)關(guān)后，首先調用停止電機的子程序。然后，再把新的操作模式“定位控制激活”顯示在輸出端Q1.0。如果開(kāi)關(guān)已激活，而且“定位控制”也被激活，則切換到“參考點(diǎn)曲線(xiàn)”，并取消“定位控制激活”(Q1.0=0)。此外，控制還為輸出最大數量的控制脈沖做準備。當再次激活開(kāi)關(guān)，便在兩個(gè)模式之間切換。如果此信號產(chǎn)生的同時(shí)電機在運轉，那么電機就自動(dòng)停止。 定位控制。如果確定了一個(gè)參考點(diǎn)，而且沒(méi)有聯(lián)鎖，那么就執行相對的定位控制，控制器從輸入字節讀出對偶碼方式的定位角度。與此角度有關(guān)的脈沖數，根據下面的公式計算:N=f/360o×S(式中N表示控制脈沖數，f表示旋轉角度，S表示每轉所需的步數)。 停止電機。按“STOP”(停止)按扭(I1.1)，控制端Q0.0輸出結束脈沖，可在任何時(shí)候停止電機。 結語(yǔ) 采用本方案設計步進(jìn)電機驅動(dòng)系統，即基于S7-200采用額定電流可調等角度恒力矩細分的方法設計步進(jìn)電機控制器，在驅動(dòng)二相或四相混合式步進(jìn)電機時(shí)運動(dòng)平穩、運行速度快、噪音低、控制精度高，而且可選擇整步、半步驅動(dòng)。經(jīng)試驗，采用額定電流可調的等角度恒力矩細分型的驅動(dòng)器，克服了傳統步進(jìn)電機低速振動(dòng)大和噪聲大的缺點(diǎn)，電機在較大速度范圍內轉矩保持恒定，提高了控制精度，減小了發(fā)生共振的幾率，具有很好的穩定性、可靠性和通用性，且結構簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高。此外，在驅動(dòng)電路中增加光電耦合電路，可進(jìn)一步提高硬件系統的抗干擾能力，避免電機對數字電路的影響。 參考文獻： [1] 楊后川,張學(xué)民, 等.SIMATIC S7-200可編程序控制器原理與應用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008 [2] 史敬灼,徐殿國, 等.混合式步進(jìn)電動(dòng)機伺服系統研究[J].電工技術(shù)學(xué)報.2006(4): 72-78 [3] 吳紅星.電機驅動(dòng)與控制專(zhuān)用集成電路及應用[M].北京:中國電力出版社,2006 [4] 張柏林,陶波.步進(jìn)電機在紅外探測伺服系統中的應用[J].現代雷達, 2009.07: 78-80 [5] 劉洪濤,黃海.PLC應用開(kāi)發(fā)從基礎到實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007 [6] SIEMENS.SIMATIC S7-200 可編程控制器系統手冊[Z].德國:西門(mén)子公司,2005 [7] 王永華.現代電氣及可編程控制技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002 [8] 王淑英,許翏.電氣控制與PLC應用[M].北京:北京機械工業(yè)出版社,2005 [9] Rusu C, Birou I. Model based design controller for the stepper motor[C]. Cluj-Napoca , IEEE International Conference on Automation, Quality and Testing, Robotics. 2008. Volume 2,Page(s): 175-179 作者：吳欣慧 秦長(cháng)海 石磊 安陽(yáng)工學(xué)院電子信息與電氣工程系 時(shí)間：2010-04-19 |
