曹志成 張佩炯 翟逸飛

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅蘭州 730021）

0 引言

步進(jìn)電機(jī)作為一種執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制過程。其工作原理是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或線位移[1]，從而達(dá)到精確定位和轉(zhuǎn)速控制的目的。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與輸入脈沖的個(gè)數(shù)成正比，輸入脈沖個(gè)數(shù)越多，角位移量越大；其轉(zhuǎn)動(dòng)速度由脈沖信號頻率決定，脈沖頻率越高，轉(zhuǎn)速越快。PLC作為一種專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，通過控制其輸出端口產(chǎn)生的高速脈沖個(gè)數(shù)及頻率，對步進(jìn)電機(jī)位置或速度進(jìn)行精確控制，在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛。

SIMATIC S7-1200系列可編程控制器是西門子公司推出的新一代PLC，采用模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展靈活[2]，集成了強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能，能實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的靈活配置及精確控制，其便捷的網(wǎng)絡(luò)通信功能，能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，便于使用人員操作及遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 步進(jìn)電機(jī)控制原理

1.1 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

步進(jìn)電機(jī)的定子繞組每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱“步距角”。步距角θs由式（1）表示。

式中：m為定子相數(shù)；Z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；C為通電方式。

當(dāng)C=1時(shí)，單相輪流通電或雙相輪流通電；當(dāng)C=2時(shí)，單雙相輪流通電。

由式（1）可以看出，步距角與定子相數(shù)、轉(zhuǎn)子齒數(shù)及通電方式成反比。定子相數(shù)、轉(zhuǎn)子齒數(shù)及通電方式的節(jié)拍數(shù)越多，則步距角越小。

混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)合了永磁式和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又分為兩相、三相和五相[3]，兩相步距角一般為1.8°，三相步距角為0.9°，而五相步距角一般為0.72°。通過控制輸入脈沖的數(shù)量可以準(zhǔn)確確定輸出的角位移以實(shí)現(xiàn)定位的功能[4]。

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由驅(qū)動(dòng)脈沖頻率控制，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，在細(xì)分驅(qū)動(dòng)情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速n（r/min）由式（2）表示。

式中：P為脈沖頻率（Hz）；θs為步進(jìn)電機(jī)步距角（°）；m為細(xì)分?jǐn)?shù)（整步為1，半步為2）。

由式（2）可看出，通過控制步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖的頻率可以準(zhǔn)確控制輸出的角速度從而達(dá)到調(diào)速的目的。本系統(tǒng)采用安川57HD3403兩相標(biāo)準(zhǔn)型混合式步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)額定電壓24 V，額定電流3.0 A，額定轉(zhuǎn)速0～1 000 r/min，4線制，步距角1.8°。無細(xì)分時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要200個(gè)脈沖（360°/1.8°=200）。步進(jìn)電機(jī)采用整步，1細(xì)分時(shí)，如果輸入脈沖頻率為1 000 Hz，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為（60×1 000）/（360/1.8）×1=300 r/min。

1.2 細(xì)分工作原理

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器是一種給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號的功率放大器。步進(jìn)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，其繞組內(nèi)部的電流將從零增大到額定值或者由額定值突降到零，表現(xiàn)為方波脈沖，一般通過恒流斬波的形式得到。電流的突變造成了電機(jī)轉(zhuǎn)矩的沖擊，另外方波電流中含有大量的高次諧波，這些都是步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的原因。為減小振動(dòng)和噪聲，一般通過對驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行細(xì)分來控制。

步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子線圈通電產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子受電磁力作用而移動(dòng)?？刂贫ㄗ泳€圈電流的大小，可使線圈磁場強(qiáng)度線性改變，從而達(dá)到減小步進(jìn)電機(jī)每一步旋轉(zhuǎn)角度的目的，這就是細(xì)分的原理。和將繞組的額定電流全部接通或斷開不同，電流細(xì)分是額定電流為階梯式投入或切除。每次切換電流時(shí)，額定電流分N次投入或切除，每次上一個(gè)臺階或下一個(gè)臺階，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)N次才達(dá)到一個(gè)步距角，即為N細(xì)分。細(xì)分?jǐn)?shù)越多，相電流越接近正弦曲線。

由于細(xì)分作用，步進(jìn)電機(jī)完成一個(gè)固有步距角分成很多步，提高了步距均勻度，因此可以提高控制精度，使啟動(dòng)性能變好；同時(shí)電流階梯式變化，降低了沖擊，減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而消除了低頻振動(dòng)，使運(yùn)行性能變優(yōu)。

1.3 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器

本文采用數(shù)字式兩相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器DM542，其參數(shù)自動(dòng)整定功能能在驅(qū)動(dòng)不同電機(jī)時(shí)自動(dòng)適配運(yùn)行參數(shù)。脈沖信號控制端采用12 V或24 V供電時(shí)，可不串接電阻，簡化了接線。

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器DM542輸出8檔相電流，由撥碼開關(guān)SW1～SW3設(shè)定。安川57HD3403步進(jìn)電機(jī)額定電流為3 A，業(yè)內(nèi)認(rèn)為該值為電流峰值，設(shè)置SW1、SW2、SW3分別為OFF、ON、OFF。

輸出16檔細(xì)分，最大細(xì)分?jǐn)?shù)可達(dá)到25 000步數(shù)/轉(zhuǎn)，由四個(gè)撥碼開關(guān)SW5～SW8設(shè)定。一般認(rèn)為當(dāng)細(xì)分倍數(shù)大于4后，并不能提高電機(jī)定位精度，只是使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)更平穩(wěn)。因此，將細(xì)分設(shè)置為1 600步數(shù)/轉(zhuǎn)，撥碼開關(guān)SW5、SW6、SW7、SW8設(shè)置為OFF、OFF、ON、ON。

1.4 脈沖接收方向控制

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向由PUL和DIR控制，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器采用脈沖端接收脈沖的方式，方向端利用電平信號來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向，如圖1所示。

圖1 方向控制信號圖

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器DM542通過方向控制端子DIR的ON和OFF控制器電平高低，達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的目的。PLC脈沖發(fā)送與接收的方向必須一致。在PLC編程中，運(yùn)行距離數(shù)值為正時(shí)，步進(jìn)電機(jī)向正方向運(yùn)動(dòng)，數(shù)值為負(fù)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)向負(fù)方向運(yùn)動(dòng)。

2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)簡介

本文所論述的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由觸摸屏、西門子S7-1200 PLC、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、絲杠以及滑臺組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

將MCGS觸摸屏通過工業(yè)交換機(jī)與PLC通信，設(shè)計(jì)MCGS組態(tài)界面，編寫PLC程序，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確控制及監(jiān)控。

利用觸摸屏可以省去大量的接線，減少PLC I/O口的使用，減少資源占用。當(dāng)觸摸屏上的按鈕被按下時(shí)，觸摸屏?xí)oPLC發(fā)送控制信號，如正反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)、絕對定位等，PLC收到數(shù)據(jù)判斷是否出錯(cuò)，如果沒有出錯(cuò)，執(zhí)行命令，通過高速脈沖輸出端口向步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器DM542發(fā)出高速PTO脈沖，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、復(fù)位錯(cuò)誤、回歸原點(diǎn)、位置定位等動(dòng)作。同時(shí)，PLC將動(dòng)作過程及參數(shù)反饋給觸摸屏，MCGS可以直觀地顯示滑臺實(shí)時(shí)位置、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

步進(jìn)電機(jī)和絲杠采用聯(lián)軸器直接連在一起，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，滑臺滑動(dòng)4 mm的距離。步進(jìn)電機(jī)的輸出角位移與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，可以根據(jù)輸入脈沖個(gè)數(shù)確定角位移的大小，PLC通過計(jì)算發(fā)出脈沖個(gè)數(shù)從而準(zhǔn)確地計(jì)算出滑臺所處的位置。該系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，滑臺位置的確定依靠步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確動(dòng)作來控制。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 I/O分配及功能

I/O分配及功能如表1所示。

表1 I/O分配及功能

3.2 PLC接線圖

步進(jìn)電機(jī)位置定位控制選用西門子S7-1200系列的CPU 1214 DC/DC/DC作為控制器。它有14個(gè)輸入點(diǎn)、10個(gè)輸出點(diǎn)，具有4個(gè)高速脈沖軸，其強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能為步進(jìn)電機(jī)的位置定位、轉(zhuǎn)速控制等提供了方便。PLC外圍電路接線如圖3所示。

圖3 PLC外圍電路接線圖

3.3 運(yùn)動(dòng)軸組態(tài)

以步進(jìn)電機(jī)控制要求為依據(jù)，需要利用博途軟件中的工藝對象運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行組態(tài)。在組態(tài)過程中，驅(qū)動(dòng)器選擇PTO模式，輸入電機(jī)每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)，由于步進(jìn)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一圈滑臺前進(jìn)或后退4 mm，組態(tài)測量單位為毫米；步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖由Q0.0輸出，方向由Q0.4控制。滑臺行程較小，必須進(jìn)行限位，輸入點(diǎn)1M必須接DC24 V電源負(fù)端，不然系統(tǒng)會(huì)誤判在限位位置，導(dǎo)致無法啟動(dòng)軸。這里采用三線制限位開關(guān)進(jìn)行左右限位，低電平有效，其控制端點(diǎn)接至I1.0、I1.1，當(dāng)滑臺觸發(fā)I1.0或I1.1時(shí)，軸以急停減速度停止并顯示出錯(cuò)信息，必須使用指令“MC_Reset”確認(rèn)故障，重新啟動(dòng)工藝對象。步進(jìn)電機(jī)原點(diǎn)歸位對應(yīng)I1.2，組態(tài)時(shí)必須勾選允許硬限位開關(guān)處自動(dòng)反轉(zhuǎn)。之后可以將程序下載到PLC，可以下載軸組態(tài)，但建議將整臺設(shè)備的組態(tài)下載，操作如下：選中CPU后點(diǎn)擊下載，等到下載完成可以選擇調(diào)試—激活—啟用。這樣就可以嘗試點(diǎn)動(dòng)控制電機(jī)了。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 組態(tài)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)控制要求，設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)位置控制系統(tǒng)組態(tài)界面如圖4所示。

圖4 組態(tài)界面

本設(shè)計(jì)思路是通過以太網(wǎng)通信協(xié)議，由上位機(jī)監(jiān)測顯示滑臺位置，并根據(jù)要求隨時(shí)提供控制信號。其主要功能參數(shù)有位置信息、JOG點(diǎn)動(dòng)信息、軸定位、軸狀態(tài)顯示功能和復(fù)位操作。利用按鈕控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，輸入框設(shè)置步進(jìn)電機(jī)速度及位置，指示燈顯示運(yùn)行狀態(tài)。具體如下：

（1）滑臺實(shí)際位置：在現(xiàn)實(shí)的工業(yè)控制中，若實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)視控制，必須在人機(jī)界面上能顯示滑臺在軸上的實(shí)際位置信息，且需要提前設(shè)定左右限位的位置信息，為工作人員提供實(shí)時(shí)位置信息。

（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理：根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需要，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控位置狀態(tài)外，還需要進(jìn)行必要的操作，這里設(shè)計(jì)了JOG點(diǎn)動(dòng)速度、當(dāng)前軸位置信息設(shè)定并顯示模塊，通過4個(gè)參數(shù)設(shè)置窗口分別設(shè)置參數(shù)，可進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，軸定位位置信息和速度信息顯示，可進(jìn)行絕對定位。

（3）狀態(tài)顯示：狀態(tài)顯示主要指的是軸狀態(tài)相關(guān)信息的顯示，包括步進(jìn)電機(jī)上電指示燈、軸故障指示燈、JOG運(yùn)行狀態(tài)顯示和絕對定位中顯示。這些指示燈可以直觀地展示軸狀態(tài)信息。

（4）復(fù)位功能：復(fù)位功能包括“錯(cuò)誤復(fù)位”和“回原點(diǎn)”。

4.2 PLC程序流程

建立一個(gè)函數(shù)塊，用來開啟軸指令，主程序首先啟動(dòng)使能，在觸摸屏設(shè)置參數(shù)、按下按鈕，如無錯(cuò)誤，啟動(dòng)PTO，觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)工作；如有錯(cuò)誤，則需按下“錯(cuò)誤復(fù)位”按鈕，重新啟動(dòng)使能。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

5 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了基于S7-1200位置控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，側(cè)重闡述了步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)原理。在利用單軸控制步進(jìn)電機(jī)的過程中，通過觸摸屏設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)距離、運(yùn)動(dòng)速度及方向、錯(cuò)誤復(fù)位等參數(shù)。在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程中，其工作狀態(tài)同步顯示在觸摸屏上。實(shí)測證明，該系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、高效的特點(diǎn)，系統(tǒng)定位準(zhǔn)確、參數(shù)設(shè)置方便、狀態(tài)顯示同步。但步進(jìn)電機(jī)作為位置控制用于開環(huán)控制系統(tǒng)，由于丟步或失步的原因，控制精度不夠，如果要精確控制，需要采用步進(jìn)電機(jī)和編碼器配合，構(gòu)成位置閉環(huán)控制系統(tǒng)或采用伺服控制系統(tǒng)，才能滿足對精確定位的要求。