基于S7-200的步進(jìn)電機控制器設計

　　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。