步进电机的控制方法 步进电机控制方法框图如图 1 所示。控制方案是通过上位机 设定参数 ,利用 S7 - 200PLC的高速脉冲输出功能输出脉冲信号 , 送给大功率管组成的驱动电路 ,经过驱动器去控制步进电机实现 位置控制。其中本文中的 PLC为西门子公司的 CPU226DC/ DC/ DC、驱动器为某公司的 SH - 20403 两相混合式步进电机细分驱动 器、步进电机为42B YG250B 型 ,步距角 1. 8°。
3 PLC 对步进电机的速度控制及定位 步进电机在启动和停止时有一个加速及减速过程 ,且加速度 越小则冲击越小 ,动作越平稳。所以,步进电机工作时一般要经历 这样 —个变化过程 :加速 →恒速 (高速) →减速 →恒速 (低速) →停止。步进电机转速与脉冲频率成正比 ,所以输入步进电机的脉冲 频率也要经过一个类似变化过程。如果步进电机启动加速时速度 太慢,由于驱动力不够导致小车运动不起来 ;相反 ,若启动速度过 大 ,又会造成机器的磨损程度增加同时噪音也很大 ,因此恰倒好处的设置启动曲线段的初始周期及脉冲数尤为重要 ,才能使整个小 车的稳定性得到提高。
PLC 对步进电机的速度控制有 3 个方面 :一是对步进电机运 行脉冲频率的控制 ;二是对步进电机启动、停止时加减速的控制 ;三是对运转脉冲数目的控制。 西门子 PLC 的组态软件 STEP 7 ———Micro/ WIN 提供了位置控制向导可以帮助我们在几分钟内全部完成 PTO、PWM 或位控 模块的组态。该向导可以生成位控指令 ,可以用这些指令在应用程序中对速度和位置进行动态控制。S7 —200PLC 提供了脉冲串 输出功能 PTO (Pulse Train Output),可以输出两路Zui高 20 KHz 的 脉冲序列 ,脉冲周期和脉冲个数由用户编程设定。不仅如此 ,S7 — 200PLC指令集中还提供了两种脉冲输入方式供应程度选择 :单段 管线的 PTO 输出和多段线的 PTO 输出。单段管线 PTO 仅支持一段自定义周期和脉冲个数的脉冲串输出 ;而多段线 PTO 相当于 多个单段 PTO 无缝连接在一起输出 ,并且允许单段内的脉冲周期恒增量(或恒减量)变化。PTO 功能极大的方便了步进电机控制领 域的应用 ,特别是在非常简单流畅 ,系统抗干扰性能好 ,运行稳定。1) 操作模式 使用 STEP 7 ———Micro/ WIN 位置控制向导 ,为线性脉冲串输出 (PTO)操作组态一个内置输出。选择Q0. 0 或 Q0. 1 ,组态作为 PTO 的 输出。在位置控制向导对话框中选择“配置 S7 - 200 PLC 内置 PTO/PWM 操作”,从下拉对话框中选择“线性脉冲串输出(PTO)”。 2) 参数设定 电机启动/ 停止速度 (SS_SPEED):输入该数值满足应用的电 机在低速时驱动负载的能力 ,如果 SS_SPEED 的数值过低 ,电机和负载在运动的开始和结束时可能会摇摆或颤动。如果 SS_SPEED 的数值过高 ,电机会在启动时丢失脉冲 ,并且负载在试图停止时会使电机超速。在此设为 100。 在该系统中 ,小车主要是在电机匀速转动时工作的 ,所以加速与 减速时间越小越有利于小车的起停工作,但是时间太小会影响步进电 机的使用寿命 ,在此加速时间设为 1000ms ,减速时间设为 200ms。 在该系统中,我们希望的第一步 (步 0) 目标速度为 1100 (介于 MAX_SPEED 和 MIN_SPEED 之间)。假设α为步进电机一步转过的 角度θ, 为步进电机总共需要转的角度ψ, 为步进电机需要的总脉冲数 , φ为车轮总共转过的角度 ,n为减速箱的传动比 ,于是计算包络总位移 (即步进电机需要的总脉冲数)的公式为:ψ=θ/α= nφ/α (1) 由于小车从 A 点到B点(如图 2 所示) ,车轮应转 30 圈 ,即 10800°。 在该系统中α, = 1. 8°,n = 1,因此由公式(1)可以推出ψ= 6000。 创建包络中的一个步是工件运动的一个固定距离 ,包括加速和减速时间内的距离。在小车控制系统中有的需要中间变速度 ,使小 车行走更平滑、噪音小 ,所以需要建立多个包络和多个步 ,即将总的脉冲数分为多个步。Zui后绘制的电机运动包络如图 3 所示。 4 程序实现 脉冲输出向导将根据所选的配置生成项目组件 ,主要有子程 序PTOx_CTRL 、PTOx_RUN、PTOx_MAN、PTOx_LDPOS、PTOx_ADV。通过创建五个唯一的指令子程序,位控向导使得控制内置 PTO 更加容易。编程调用 PTO0_CTRL 子程序(控制)使能和初始 化用于步进电机或伺服电机的 PTO输出 ;调用 PPTO0_RUN 子程 序(运行包络)命令 PLC 在一个指定的包络中执行运动操作 ,此包 络存储在组态/包络表中。如图 4 所示。
步进电机的控制以开环控制居多 ,如果用旋转编码器做速度或 位置反馈 ,结合 PLC 的高速脉冲计数功能就可以实现闭环控制。 由于现今的PLC 指令速度越来越快 ,用微小型 PLC 就能构成 各种的步进电机控制系统 ,具有控制简单、运行稳定、开发周期短 等优点,基于模块化思想的软硬件设计 ,使得系统更易于调试和维 护 ,是一种切实可行的步进电机控制方案。
