引言

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要優(yōu)點(diǎn)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(yùn)行機(jī)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(yīng)用于對(duì)精度要求較高的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，如機(jī)器人、打印機(jī)、軟盤驅(qū)動(dòng)器、繪圖儀和機(jī)械閥門控制器等。目前，能夠?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)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(yùn)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(yīng)性差、開發(fā)周期長(zhǎng)、費(fèi)用較高。

德國(guó)西門子公司的S7-200 是一種小型的可編程序控制器，其功能強(qiáng)大，無論在獨(dú)立運(yùn)行中還是相連成網(wǎng)絡(luò)，皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，具有極高的性價(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(tǒng)來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。該控制器不但可以改善步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)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(jī)在自然振蕩頻率附近運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生共振、以及輸出轉(zhuǎn)矩隨著步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高而下降等缺點(diǎn)，從而能夠顯著地提高步進(jìn)電機(jī)的性能，拓寬步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

步進(jìn)電機(jī)控制

步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它區(qū)別于其他類型的控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是：通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，便驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱為“步距角”）。其旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）和混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)進(jìn)行工作，控制信號(hào)由相應(yīng)的控制器來產(chǎn)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(jìn)電機(jī)的單四拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-C-D。通電控制脈沖必須嚴(yán)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(jī)的轉(zhuǎn)向。如果給定工作方式正序換相通電，則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn);如果按反序換相通電，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)控制脈沖，便轉(zhuǎn)一步;再接收到一個(gè)脈沖，再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整控制器發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

控制系統(tǒng)完成的功能

步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)、加速、減速和平穩(wěn)停止

這是控制系統(tǒng)首先要實(shí)現(xiàn)的功能。S7-200中，支持高速輸出口PTO0/PTO1的線性加/減速，通過MicroWin向?qū)С绦?，非常容易?shí)現(xiàn)。實(shí)際上，以目前的情況，線性加/減速只能使用向?qū)傻某绦?，西門子沒有公開獨(dú)立可使用的指令。

定位控制功能

定位控制、調(diào)節(jié)和控制操作之間存在一些區(qū)別。步進(jìn)電機(jī)不需要連續(xù)的位置控制，而在控制操作中得到廣泛應(yīng)用［9］。借助于CPU214所產(chǎn)生的集成脈沖輸出和定位指令系統(tǒng)，確定相對(duì)一根軸的固定參考點(diǎn)，借助于一個(gè)輸入字節(jié)的對(duì)偶碼（Dual coding）給CPU指定定位角度，在程序中根據(jù)該碼計(jì)算出所需的定位步數(shù)，再由CPU輸出相關(guān)個(gè)數(shù)的控制脈沖，通過步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)相對(duì)的定位控制。

額定電流可調(diào)等角度恒力矩細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法的功能實(shí)現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)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(yùn)行時(shí)的振動(dòng)大、噪聲大和在步進(jìn)電機(jī)自然振蕩頻率附近運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生共振，且輸出轉(zhuǎn)矩隨著步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)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(diào)等角度恒力矩細(xì)分驅(qū)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(jī)的定位精度、啟動(dòng)性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩，減弱或消除了步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，降低了步進(jìn)電機(jī)在共振區(qū)工作的幾率。一般細(xì)分驅(qū)動(dòng)只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，電動(dòng)機(jī)的合成磁勢(shì)也只是旋轉(zhuǎn)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(tái)階式的投入或切除，如圖1所示。

其合成的矢量幅值是不斷變化的，輸出力矩也跟著不斷變化，從而會(huì)引起滯后角的不斷變化。當(dāng)細(xì)分?jǐn)?shù)很大、微步距角非常小時(shí)，滯后角變化的差值已大于所要求細(xì)分的微步距角，使得細(xì)分失去了意義。據(jù)此分析，采用建立數(shù)學(xué)關(guān)系同時(shí)改變兩相電流，即Ia和Ib以某一數(shù)學(xué)關(guān)系同時(shí)變化，保證變化過程中合成矢量幅值始終不變。建立一種“額定電流可調(diào)的等角度恒力矩細(xì)分”驅(qū)動(dòng)方法，以消除力距不斷變化引起滯后角的問題。這種合成矢量幅值保持不變的數(shù)學(xué)模型為：當(dāng) Ia=Imcosx，Ib=Imsinx時(shí)（式中Im為電流額定值，Ia、Ib為實(shí)際的相電流，x由細(xì)分?jǐn)?shù)決定），其合成矢量始終為圓的半徑，即恒力距; 等角度是指合成的力臂每次旋轉(zhuǎn)的角度一樣;額定電流可調(diào)是指可滿足各種系列電機(jī)的要求;細(xì)分為對(duì)額定電流的細(xì)分（如圖2a和2b所示）。

控制器設(shè)計(jì)

通常情況下，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和步進(jìn)電機(jī)三部分構(gòu)成，如圖3a所示。圖3b為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的硬件連接框圖。

圖中I1.0、I1.1和I1.5為輸入控制信號(hào)端;Q0.0和Q0.1為兩路高速脈沖，分別負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)開啟定位和停止控制。

控制電路

控制電路用于產(chǎn)生脈沖，以控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向［5］。本設(shè)計(jì)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，可以用來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖，實(shí)現(xiàn)控制要求。S7-200CPU 含有高速脈沖輸出功能，CPU脈沖輸出頻率達(dá)20KHz~100KHz，可以用來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，并由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載主軸旋轉(zhuǎn)，完成控制工藝所要求的動(dòng)作。

驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路由脈沖信號(hào)分配和功率細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路組成。根據(jù)控制器輸入的脈沖和方向信號(hào)，為步進(jìn)電機(jī)各繞組提供正確的通電順序，以及電機(jī)需要的高電壓、大電流;同時(shí)提供各種保護(hù)措施，如過流、過熱等保護(hù)［7］。功率驅(qū)動(dòng)器將控制脈沖按照設(shè)定的模式轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)線圈的電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使得轉(zhuǎn)子只能按固定的步數(shù)來改變它的位置［6］。連續(xù)的脈沖序列產(chǎn)生與其對(duì)應(yīng)同頻率的步序列。如果控制頻率足夠高，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)可看作連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)

控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)負(fù)載［8］。用S7-200PLC Q0.0和Q0.1的輸出脈沖觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)輸入端I1.0發(fā)出“START”信號(hào)后，控制器將輸出固定數(shù)目的方波脈沖，使步進(jìn)電機(jī)按對(duì)應(yīng)的步數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)輸入端I1.1 發(fā)出“STOP”信號(hào)后，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng);接在輸入端I1.5的方向開關(guān)位置決定電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)采用帶有標(biāo)準(zhǔn)功率驅(qū)動(dòng)器和相關(guān)連接電纜的步進(jìn)電機(jī)。

各組成模塊的選擇和功能

由于“額定電流可調(diào)的等角度恒力矩細(xì)分”驅(qū)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(shè)計(jì)在器件選擇是同時(shí)兼顧以下各個(gè)條件：D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的電流值與期望值相當(dāng)接近，而且轉(zhuǎn)換速度要快;SPI口通信，頻率高達(dá)50 MHz，建立時(shí)間快，同時(shí)單電壓供電，連接簡(jiǎn)單;檢測(cè)到的電流可正確地反映此時(shí)的相電流，采用的檢測(cè)方法為霍爾傳感器，該方法檢測(cè)準(zhǔn)確、干擾小、連接也較簡(jiǎn)單;比較器分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快;控制功率管開關(guān)的邏輯電路有很高的實(shí)時(shí)性，保證相電流在設(shè)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(jù)收到的脈沖信號(hào)進(jìn)行脈沖信號(hào)分配，確定各相通電順序，并與電流檢測(cè)模塊里的D觸發(fā)器相連。同時(shí)根據(jù)用戶設(shè)定的電流值和細(xì)分?jǐn)?shù)通過SPI口與A/D轉(zhuǎn)換器通信，得到設(shè)定的電流值（實(shí)際上是電流對(duì)應(yīng)的電壓值）。

A/D轉(zhuǎn)換器輸出的值為期望的電流對(duì)應(yīng)的電壓值，它必須與從功率模塊檢測(cè)得到的電流對(duì)應(yīng)的電壓值進(jìn)行比較，并把比較結(jié)果與電流檢測(cè)模塊里面的D 觸發(fā)器相連。

電流檢測(cè)模塊主要由D觸發(fā)器進(jìn)行邏輯控制。該模塊與電流、細(xì)分設(shè)定的撥碼開關(guān)相連，把得到的值通過SPI口傳給單片機(jī)。以D觸發(fā)器為核心的控制邏輯，根據(jù)單片機(jī)的各相通電順序和比較器的比較結(jié)果確定各功率管的開關(guān)。功率驅(qū)動(dòng)模塊直接與電機(jī)相連，驅(qū)動(dòng)電機(jī)?？刹捎?個(gè)MOS管IRF740構(gòu)成2個(gè) H橋雙極型驅(qū)動(dòng)電路。

軟件設(shè)計(jì)

在程序的編制中，為使步進(jìn)電機(jī)換向時(shí)平滑過渡，避免產(chǎn)生錯(cuò)步，應(yīng)在每一步中設(shè)置標(biāo)志位［3］。在正轉(zhuǎn)時(shí)，不僅給正轉(zhuǎn)標(biāo)志位賦值，也同時(shí)給反轉(zhuǎn)標(biāo)志位賦值;在反轉(zhuǎn)時(shí)也需做如此處理。這樣，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)換向時(shí)，以上一次的位置作為起點(diǎn)反向運(yùn)動(dòng)，避免了電機(jī)換向時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)步［10］。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件主要由主控程序、細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序、鍵處理程序、顯示數(shù)據(jù)處理及顯示驅(qū)動(dòng)程序、通信監(jiān)控程序等部分組成。細(xì)分驅(qū)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(shè)置和取消、定位控制和電機(jī)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(shù)。選擇旋轉(zhuǎn)方向和解除聯(lián)鎖。

設(shè)置和取消參考點(diǎn)。如果還沒有確定參考點(diǎn)，那么參考點(diǎn)曲線應(yīng)從按“START”按鈕（I1.0）開始。CPU有可能輸出最大數(shù)量的控制脈沖。在所需的參考點(diǎn)，按“設(shè)置/取消參考點(diǎn)”開關(guān)后，首先調(diào)用停止電機(jī)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”，并取消“定位控制激活”（Q1.0=0）。此外，控制還為輸出最大數(shù)量的控制脈沖做準(zhǔn)備。當(dāng)再次激活開關(guān)，便在兩個(gè)模式之間切換。如果此信號(hào)產(chǎn)生的同時(shí)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)，那么電機(jī)就自動(dòng)停止。

定位控制。如果確定了一個(gè)參考點(diǎn)，而且沒有聯(lián)鎖，那么就執(zhí)行相對(duì)的定位控制，控制器從輸入字節(jié)讀出對(duì)偶碼方式的定位角度。與此角度有關(guān)的脈沖數(shù)，根據(jù)下面的公式計(jì)算：N=f/360o×S（式中N表示控制脈沖數(shù)，f表示旋轉(zhuǎn)角度，S表示每轉(zhuǎn)所需的步數(shù)）。

停止電機(jī)。按“STOP”（停止）按扭（I1.1），控制端Q0.0輸出結(jié)束脈沖，可在任何時(shí)候停止電機(jī)。

結(jié)語

采用本方案設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，即基于S7-200采用額定電流可調(diào)等角度恒力矩細(xì)分的方法設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制器，在驅(qū)動(dòng)二相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、運(yùn)行速度快、噪音低、控制精度高，而且可選擇整步、半步驅(qū)動(dòng)。經(jīng)試驗(yàn)，采用額定電流可調(diào)的等角度恒力矩細(xì)分型的驅(qū)動(dòng)器，克服了傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)低速振動(dòng)大和噪聲大的缺點(diǎn)，電機(jī)在較大速度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩保持恒定，提高了控制精度，減小了發(fā)生共振的幾率，具有很好的穩(wěn)定性、可靠性和通用性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高。此外，在驅(qū)動(dòng)電路中增加光電耦合電路，可進(jìn)一步提高硬件系統(tǒng)的抗干擾能力，避免電機(jī)對(duì)數(shù)字電路的影響。

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