基于S7-200的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

　　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(lái)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(lái)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(guò)流、過(guò)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)關(guān)相連，把得到的值通過(guò)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(kāi)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(guò)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(méi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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。