基于Profibus的步進電機控制系統(tǒng)技術(shù)要點揭示

　　1 引言
　　步進電機在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，不受負載變化的影響。該特點使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制非常的簡單。
　　德國和歐洲標(biāo)準(zhǔn)的Profibus 現(xiàn)場總線是一種開放的，不依賴于生產(chǎn)廠家的通信系統(tǒng)，是一種比較成熟的總線。
　　Profibus 根據(jù)應(yīng)用特點分成Profibus -DP，Profibus -FMS,Profibus-PA 三個兼容版本。其中Profibus-DP 是一種高速(數(shù)據(jù)傳輸率9.6kbit/s-12Mbit/s)經(jīng)濟型設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)，主要用于現(xiàn)場控制器與分散I/O 之間的通信，在工業(yè)自動化領(lǐng)域已經(jīng)得到了成熟和廣泛的應(yīng)用。
　　在汽車配件的加工中加工的精度決定了產(chǎn)品的質(zhì)量，因此現(xiàn)代汽車制造業(yè)對加工的精度要求越來越高。在壓配生產(chǎn)的過程中影響壓配結(jié)果的因素很多，包括加工設(shè)備的情況、工件材料屬性等。有的壓配過程不但要求壓配的定位精度高，對壓配的速度也有嚴格的要求。
　　系統(tǒng)以汽車配件廠的壓配工序為對象，壓配過程中工件要受到一些特殊的載荷，包括機械負荷和熱應(yīng)力負荷，整個壓配工序?qū)α臀灰频膮?shù)要求較高。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，零件的受力應(yīng)維持在某個范圍內(nèi)，低于則壓配無法完成，高于則零件會損壞。加工過程中由位移值來檢測工序的完成，給進的位移量太多或太少都會使得產(chǎn)品成為不合格品。整個過程中影響加工精
　　度的震動也是應(yīng)該要避免的。同時工業(yè)生產(chǎn)線中的實際情況，要求整個系統(tǒng)在保證工序可靠完成的基礎(chǔ)上，盡可能縮短壓配的周期時間，并具有故障保護與故障報警功能。
　　2 硬件設(shè)計
　　考慮到上述情況，設(shè)計利用PLC 控制步進電機來完成該壓配過程。PLC、模擬量放大器完成測量放大變送和控制功能，上位機通過Profibus-DP 分別與PLC 和放大器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，上位機還通過Ethernet 與模擬量放大器通訊完成壓配過程的實時監(jiān)控，上位機中由Protool 組態(tài)軟件編寫人機界面，顯示相關(guān)數(shù)據(jù)、過程曲線，完成相關(guān)參數(shù)設(shè)定和報警功能。整個系統(tǒng)是典型計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)(Direct Digital Control, DDC)與監(jiān)督控制系統(tǒng)(Supervisory Computer Control, SCC)的結(jié)合，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

　　2.1 PLC 的選擇
　　系統(tǒng)主要的通訊基于Profibus 協(xié)議，PLC 與模擬量信號放大器以及上位機之間都是通過Profibus-DP 總線通訊，因此PLC 型號選用西門子公司S7-315C-2DP(帶有2 個DP 通訊接口)。設(shè)計使得PLC 控制步進電機與PLC 從模擬量信號放大器采集監(jiān)控數(shù)據(jù)兩大功能模塊相對獨立。
　　2.2 模擬量信號放大器
　　在工業(yè)生產(chǎn)中一些壓力測量、微位移測量等高精度要求的場合，從傳感器采集到的模擬量微弱信號一般要經(jīng)過一個信號的調(diào)理過程。它承擔(dān)著微弱信號放大，電流、電壓轉(zhuǎn)換，信號濾波，噪聲信號抑制，為后續(xù)進行A/D 轉(zhuǎn)換提供高精度信號的作用，同時要求滿足低零漂，低電壓偏移且線性轉(zhuǎn)換。
　　壓配工序?qū)毫y量和位移測量的精度要求較高，系統(tǒng)中采用的高精度傳感器輸出信號是微弱的信號，基于上述考慮系統(tǒng)采用HBM 公司的MP85ADP 模擬信號放大器。MP85ADP 除
　　了采用不平衡電橋作為調(diào)理電路完成一般的信號調(diào)理功能外，還能夠完成數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控功能。利用其附帶的PMEAssistant軟件可以根據(jù)工件的不同標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)置加工的公差帶，顯示壓配過程中力和位移變化的實時曲線，完成了部分的SPC功能，并根據(jù)設(shè)定參數(shù)及時檢測出錯誤。
　　MP85ADP 還提供了豐富的接口，包括Profibus-DP、CAN、Ethernet，系統(tǒng)采用了MP85ADP 的Profibus-DP 接口與PLC 連接，Ethernet 與上位機連接。利用這些接口將放大器接入到現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)中，能方便的完成遠程診斷和維護。
　　2.3 步進電機及其驅(qū)動器
　　步進電機采用的是Orientalmotor 公司的DRL 系列直線致動器，它內(nèi)部是將滾珠螺桿安裝在5 相步進電機中并帶有電磁制動功能的一種新機構(gòu)的直線驅(qū)動用制動器，適合于高精度定位和低震動用場合。
　　電機驅(qū)動器使用的是Orientalmotor 公司的CRD 系列光耦合驅(qū)動器，該驅(qū)動器具有平滑驅(qū)動功能，能在不改變脈沖輸入設(shè)定的情況下，以與全步距時相同的移動速度來自動地進行微
　　步驅(qū)動的控制;采用了能將傳動裝置的基本分辨率最大設(shè)定至250 分割的微步驅(qū)動方式。使得電機在低速時也可以獲得顯著的低震動，低噪音的效果。系統(tǒng)中PLC 與驅(qū)動器接線示意圖如圖2 所示。

　　主要參數(shù)說明：
　　CW 脈沖：CW 方向工作指令脈沖信號(單脈沖輸入方式時為工作指令的脈沖信號)負邏輯脈沖輸入;脈沖寬度1μs 以上，上升下降時間2μs 以下，脈沖占空比50%以下;將脈沖輸入從ON 變?yōu)镺FF 時，螺桿便在前進方向移動1 步距;最大輸入脈沖頻率500kHz。
　　CCW 脈沖：CCW 方向動作指令脈沖信號(單脈沖輸入方式時為運轉(zhuǎn)方向信號)負邏輯脈沖輸入;脈沖寬度1μs 以上，上升下降時間2μs 以下，脈沖占空比50%以下;將脈沖輸入從ON變?yōu)镺FF 時，螺桿便在后退方向移動1 步距;最大輸入脈沖頻率500kHz。
　　當(dāng)設(shè)為單脈沖輸入時，CW 脈沖輸入端變?yōu)椴竭M電機驅(qū)動脈沖的輸入端，CCW 脈沖輸入端作為電機方向控制信號輸入端。
　　分辨率轉(zhuǎn)換：DATA1、DATA2 為分辨率設(shè)定開關(guān)，光耦合器OFF 時請選擇DATA1，光耦合器ON 時請選擇DATA2。
　　在驅(qū)動器上調(diào)整解析度開關(guān)，將分割數(shù)設(shè)為1，即步進電機轉(zhuǎn)動0.72°/step。根據(jù)步進電機參數(shù)知解析度為0.008mm。1 分割(0.72°/step)時：每10 脈沖輸出1 次;10 分割(0.072°/step)時：每100 脈沖輸出1 次。