基于S7-200的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

　　引言

　　步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(tǒng)相比，其特有的開環(huán)運(yùn)行機(jī)制能夠降低系統(tǒng)的成本、提高系統(tǒng)的可靠性，因此被廣泛應(yīng)用于對(duì)精度要求較高的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，如機(jī)器人、打印機(jī)、軟盤驅(qū)動(dòng)器、繪圖儀和機(jī)械閥門控制器等。目前，能夠?qū)?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/步進(jìn)電機(jī)">步進(jìn)電機(jī)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(yùn)行速度低;專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器集成度高、可靠性好，但適應(yīng)性差、開發(fā)周期長(zhǎng)、費(fèi)用較高。

　　德國(guó)西門子公司的S7-200[1]是一種小型的可編程序控制器，其功能強(qiáng)大，無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中還是相連成網(wǎng)絡(luò)，皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，具有極高的性價(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(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。該控制器不但可以改善步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)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(jī)在自然振蕩頻率附近運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生共振、以及輸出轉(zhuǎn)矩隨著步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高而下降等缺點(diǎn)，從而能夠顯著地提高步進(jìn)電機(jī)的性能，拓寬步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　步進(jìn)電機(jī)控制

　　步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它區(qū)別于其他類型的控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是：通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定[2]。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，便驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)。其旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)和混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)[3]。

　　步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)進(jìn)行工作，控制信號(hào)由相應(yīng)的控制器來(lái)產(chǎn)生，控制換相順序和通電換相。這一過(guò)程稱為“脈沖分配”。例如：四相步進(jìn)電機(jī)的單四拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-C-D。通電控制脈沖必須嚴(yán)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(jī)的轉(zhuǎn)向。如果給定工作方式正序換相通電，則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn);如果按反序換相通電，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)控制脈沖，便轉(zhuǎn)一步;再接收到一個(gè)脈沖，再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整控制器發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速[4]。

　　控制系統(tǒng)完成的功能

　　步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)、加速、減速和平穩(wěn)停止

　　這是控制系統(tǒng)首先要實(shí)現(xiàn)的功能[7]。S7-200中，支持高速輸出口PTO0/PTO1的線性加/減速，通過(guò)MicroWin向?qū)С绦?，非常容易?shí)現(xiàn)。實(shí)際上，以目前的情況，線性加/減速只能使用向?qū)傻某绦?，西門子沒(méi)有公開獨(dú)立可使用的指令。

　　定位控制功能

　　定位控制、調(diào)節(jié)和控制操作之間存在一些區(qū)別。步進(jìn)電機(jī)不需要連續(xù)的位置控制，而在控制操作中得到廣泛應(yīng)用[9]。借助于CPU214所產(chǎn)生的集成脈沖輸出和定位指令系統(tǒng)，確定相對(duì)一根軸的固定參考點(diǎn)，借助于一個(gè)輸入字節(jié)的對(duì)偶碼(Dual coding)給CPU指定定位角度，在程序中根據(jù)該碼計(jì)算出所需的定位步數(shù)，再由CPU輸出相關(guān)個(gè)數(shù)的控制脈沖，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)的定位控制。

　　額定電流可調(diào)等角度恒力矩細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法的功能實(shí)現(xiàn)

　　步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)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(yùn)行時(shí)的振動(dòng)大、噪聲大和在步進(jìn)電機(jī)自然振蕩頻率附近運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生共振，且輸出轉(zhuǎn)矩隨著步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)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(diào)等角度恒力矩細(xì)分驅(qū)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(jī)的定位精度、啟動(dòng)性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩，減弱或消除了步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，降低了步進(jìn)電機(jī)在共振區(qū)工作的幾率。一般細(xì)分驅(qū)動(dòng)只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，電動(dòng)機(jī)的合成磁勢(shì)也只是旋轉(zhuǎn)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(tái)階式的投入或切除，如圖1所示。