基于S7-200的步進電機控制器設計

　　引言

　　步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構，主要優(yōu)點是定位精度高、無位置累積誤差。并且與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，其特有的開環(huán)運行機制能夠降低系統(tǒng)的成本、提高系統(tǒng)的可靠性，因此被廣泛應用于對精度要求較高的運動控制系統(tǒng)中，如機器人、打印機、軟盤驅動器、繪圖儀和機械閥門控制器等。目前，能夠對步進電機進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，但適應性差、開發(fā)周期長、費用較高。

　　德國西門子公司的S7-200[1]是一種小型的可編程序控制器，其功能強大，無論在獨立運行中還是相連成網絡，皆能實現復雜控制功能，具有極高的性價比。本文利用S7-200作為核心控制器件，憑借其產生的脈沖和實時定位系統(tǒng)來實現步進電機的控制。該控制器不但可以改善步進電機在低速運行時振動大、噪聲大的缺點，而且可以克服步進電機在自然振蕩頻率附近運行時易產生共振、以及輸出轉矩隨著步進電機的轉速升高而下降等缺點，從而能夠顯著地提高步進電機的性能，拓寬步進電機的應用領域。

　　步進電機控制

　　步進電機是數字控制電機，它區(qū)別于其他類型的控制電機的最大特點是：通過輸入脈沖信號來進行控制，即電機的總轉動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]。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，便驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)。其旋轉是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可分為反應式步進電機(VR)、永磁式步進電機(PM)和混合式步進電機(HB)[3]。

　　步進電機的驅動電路根據控制信號進行工作，控制信號由相應的控制器來產生，控制換相順序和通電換相。這一過程稱為“脈沖分配”。例如：四相步進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，控制步進電機的轉向。如果給定工作方式正序換相通電，則步進電機正轉;如果按反序換相通電，則電機就反轉。步進電機接收到一個控制脈沖，便轉一步;再接收到一個脈沖，再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機轉得越快。調整控制器發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速[4]。

　　控制系統(tǒng)完成的功能

　　步進電機的平穩(wěn)起動、加速、減速和平穩(wěn)停止

　　這是控制系統(tǒng)首先要實現的功能[7]。S7-200中，支持高速輸出口PTO0/PTO1的線性加/減速，通過MicroWin向導程序，非常容易實現。實際上，以目前的情況，線性加/減速只能使用向導生成的程序，西門子沒有公開獨立可使用的指令。

　　定位控制功能

　　定位控制、調節(jié)和控制操作之間存在一些區(qū)別。步進電機不需要連續(xù)的位置控制，而在控制操作中得到廣泛應用[9]。借助于CPU214所產生的集成脈沖輸出和定位指令系統(tǒng)，確定相對一根軸的固定參考點，借助于一個輸入字節(jié)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輸出相關個數的控制脈沖，通過步進電機來實現相對的定位控制。

　　額定電流可調等角度恒力矩細分驅動方法的功能實現

　　步進電機的驅動方式有多種，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的振動大、噪聲大和在步進電機自然振蕩頻率附近運行時易產生共振，且輸出轉矩隨著步進電機的轉速升高而下降等缺點。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方案。該方案最主要的優(yōu)點是：步距角變小，分辨率高，提高了電機的定位精度、啟動性能和高頻輸出轉矩，減弱或消除了步進電機的低頻振動，降低了步進電機在共振區(qū)工作的幾率。一般細分驅動只改變相應繞組中電流的一部分，電動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。