基于S7-200的步進(jìn)電機控制器設計

　　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?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。