基于SCM和PLC的兩種步進電機控制方法

0 引 言
步進電機位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應，精度高、響應特性好、可靠性高、速度可在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，是控制系統(tǒng)中一種重要的自動化執(zhí)行元件。
SCM(Single Chip Microcomputer，單片機)是把組成微型計算機的中央處理器、存儲器、輸入輸出接口電路、定時器／計數(shù)器等制作在一塊集成電路芯片中，它具有小巧、低功耗、指令系統(tǒng)豐富等優(yōu)點，成為工業(yè)控制的主角。
PLC(Programmable Logic Controller，可編程序邏輯控制器)是以微型計算機為核心的一種工控機。其控制方案能事先進行模擬調(diào)試，自身設計采用了冗余措施和容錯技術(shù)。由于PLC通用性強，編程操作方便，擴展靈活，可靠性高，應用幾乎覆蓋各個工業(yè)領域。
步進電機的電脈沖信號若由SCM產(chǎn)生，就構(gòu)成以SCM為核心的控制系統(tǒng)。若電脈沖信號由PLC產(chǎn)生CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，就構(gòu)成以PLC為核心的控制系統(tǒng)。
1 步進電機驅(qū)動方式
反應式步進電機頻率響應快、可雙向旋轉(zhuǎn)、定位準確、起停速度快，因而使用多CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，具有代表性。三相反應式步進電機定子有6個等間隔的磁極，線圈繞過相互正對的兩個磁極構(gòu)成一相，共有A—A、B—B和C—C三相。根據(jù)步進電機的工作原理，若按順序給步進電機的繞組施加有序的脈沖電流即可控制步進電機的轉(zhuǎn)動，從而進行數(shù)字到角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動的方向則與脈沖的順序有關(guān)。
從一相通電轉(zhuǎn)到另一相通電稱為一拍，對三相反應式步進電機來說，若按A→B→C→A順序通電，則稱為單相三拍運行方式。若按A→AB→B→BC→C→C→A→A順序通電，則稱為三相六拍運行方式。若按AB→BC→CA→AB順序通電，則稱為雙相三拍運行方式。一般數(shù)字電路的信號能量遠遠不足以驅(qū)動步進電機，必須要有一個與之匹配的驅(qū)動電路來驅(qū)動步進電機。驅(qū)動電路不僅應該包含由功率開關(guān)器件構(gòu)成的驅(qū)動主電路，還應包含一個邏輯單元，在輸入脈沖序列的作用下輸出定子繞組通電狀態(tài)，控制主電路功率開關(guān)器件的導通與關(guān)斷。典型的驅(qū)動電路主要有全電壓，恒流斬渡，升頻升壓等形式。
2 基于SCM的步進電機控制方法
2.1 控制原理
SCM的P1口作為輸出口，P1.0，P1.1，P1.2分別輸出控制脈沖，通過7406驅(qū)動脈沖功率放大級的達林頓復合管，再分別控制三相步進電機的A、B、C三相。根據(jù)P1口輸出控制信號的狀態(tài)，即可實現(xiàn)對步進電機的正反轉(zhuǎn)控制。
表1列出了步進電機工作在三相六拍時的控制字。從中可以看出，步進電機第一個控制字數(shù)據(jù)為01H，從上到下輸出控制字時CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，電機正轉(zhuǎn)，自下而上輸出控制字數(shù)據(jù)時，電機反轉(zhuǎn)。步進電機運行一拍的時間決定了步進電機的轉(zhuǎn)速。在輸出一個控制字后加入一定的延時時間，即可控制步進電機的轉(zhuǎn)速。

表1 三相六拍步進電機控制字

2.2 控制程序
設SCM工作寄存器R3中存放了步進電機要走的步數(shù)，轉(zhuǎn)向標志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標志位F1(D5H)中，當F1為“0”時步進電機正轉(zhuǎn)，F(xiàn)1為“1”時步進電機反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)控制字存放在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器20H～25H中，26H中存放結(jié)束標志00H。在27H開始的存儲區(qū)存放反轉(zhuǎn)控制字，在2DH單元存放結(jié)束標志00H。SCM可以采用程序延時和定時器延時。下面利用定時器延時控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，以中斷方式輸出控制脈沖。
3 基于PLC的步進電機控制方法
本文以OMRON的CQM1型機為例，分析通過PLC的軟件設計來實現(xiàn)步進電機的脈沖分配。
由移位寄存器SFT(10)指令循環(huán)輸出實現(xiàn)脈沖分配，步進電機工作在三相六拍時的狀態(tài)由內(nèi)部輔助寄存器IR016的00～05繼電器控制，為實現(xiàn)循環(huán)控制，由第6位信號01605作為反饋信號接到SFT的數(shù)據(jù)輸入端IN。SFT的移位脈沖輸入端CP可由PLC內(nèi)部高速定時器通過編程實現(xiàn)，本設計中為方便起見。采用了內(nèi)部特殊繼電器SR25500。SFT的復位輸入端R接步進電機停止信號，該端為ON時，數(shù)據(jù)通道IR016的所有位置0，并且不接受數(shù)據(jù)輸入。
表2列出了IR016與步進電機通電繞組的對應關(guān)系，在步進電機正轉(zhuǎn)時，當移位數(shù)據(jù)信號移到第一位時。移位寄存器SFT第一位01600的輸出應接通步進電機的A相；移到第二位時，應接通A相和B相；其余如此類推。以A相繞組為例，由表2可知，當輔助繼電器01600、01601、01605中任一個接通時(并聯(lián)關(guān)系)，A相通電。移位寄存器每一位的輸出信號先驅(qū)動與步進電機各相對應的輸出繼電器，再由輸出繼電器通過功率放大器驅(qū)動步進電機。