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基于S7-200的步进电机控制器设计

—— Design of Stepper Motor Controller Based on S7-200
作者:吴欣慧 秦长海 石磊 安阳工学院电子信息与电气工程系时间:2010-04-19来源:

  引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/108094.htm

  是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构,主要优点是定位精度高、无位置累积误差。并且与闭环控制系统相比,其特有的开环运行机制能够降低系统的成本、提高系统的可靠性,因此被广泛应用于对精度要求较高的运动控制系统中,如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪和机械阀门等。目前,能够对进行控制的主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器和专用集成芯片环形脉冲分配器等。分散器件组成的环形脉冲分配器体积比较大、可靠性较低;软件环形分配器运行速度低;专用集成芯片环形脉冲分配器集成度高、可靠性好,但适应性差、开发周期长、费用较高。

  德国西门子公司的[1]是一种小型的可编程序,其功能强大,无论在独立运行中还是相连成网络,皆能实现复杂控制功能,具有极高的性价比。本文利用作为核心件,凭借其产生的脉冲和实时来实现的控制。该控制器不但可以改善步进电机在低速运行时振动大、噪声大的缺点,而且可以克服步进电机在自然振荡频率附近运行时易产生共振、以及输出转矩随着步进电机的转速升高而下降等缺点,从而能够显著地提高步进电机的性能,拓宽步进电机的应用领域。

  步进电机控制

  步进电机是数字控制电机,它区别于其他类型的控制电机的最大特点是:通过输入脉冲信号来进行控制,即电机的总转动角度由输入脉冲数决定,而电机的转速由脉冲信号频率决定[2]。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,便驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)。其旋转是以固定的角度一步一步运行的,可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机可分为反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)和混合式步进电机(HB)[3]。

  步进电机的驱动电路根据控制信号进行工作,控制信号由相应的控制器来产生,控制换相顺序和通电换相。这一过程称为“脉冲分配”。例如:四相步进电机的单四拍工作方式,其各相通电顺序为A-B-C-D。通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断,控制步进电机的转向。如果给定工作方式正序换相通电,则步进电机正转;如果按反序换相通电,则电机就反转。步进电机接收到一个控制脉冲,便转一步;再接收到一个脉冲,再转一步。两个脉冲的间隔越短,步进电机转得越快。调整控制器发出的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速[4]。

  控制系统完成的功能

  步进电机的平稳起动、加速、减速和平稳停止

  这是控制系统首先要实现的功能[7]。中,支持高速输出口PTO0/PTO1的线性加/减速,通过MicroWin向导程序,非常容易实现。实际上,以目前的情况,线性加/减速只能使用向导生成的程序,西门子没有公开独立可使用的指令。

  定位控制功能

  定位控制、调节和控制操作之间存在一些区别。步进电机不需要连续的位置控制,而在控制操作中得到广泛应用[9]。借助于CPU214所产生的集成脉冲输出和定位指令系统,确定相对一根轴的固定参考点,借助于一个输入字节的对偶码(Dual coding)给CPU指定定位角度,在程序中根据该码计算出所需的定位步数,再由CPU输出相关个数的控制脉冲,通过步进电机来实现相对的定位控制。

  额定电流可调等角度恒力矩细分驱动方法的功能实现

  步进电机的驱动方式有多种,如恒电压、恒电流等多种形式。而这些方式都存在一定的缺陷,特别是在低速运行时的振动大、噪声大和在步进电机自然振荡频率附近运行时易产生共振,且输出转矩随着步进电机的转速升高而下降等缺点。为了改变上述缺陷,本文采用了额定电流可调等角度恒力矩细分驱动方案。该方案最主要的优点是:步距角变小,分辨率高,提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩,减弱或消除了步进电机的低频振动,降低了步进电机在共振区工作的几率。一般细分驱动只改变相应绕组中电流的一部分,电动机的合成磁势也只是旋转步距角的一部分,绕组电流不是一个方波而是阶梯波,额定电流是台阶式的投入或切除,如图1所示。

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