步进电机驱动与控制系统的设计_李国厚

DOI10.13436/j.mkjx.2008.02.085第29:卷第2期

2008年　2月

29No.2煤　矿　机　械　　　　　　　　　　　　　　　　Vol.

Feb.2008

步进电机驱动与控制系统的设计

李国厚

(河南科技学院,河南新乡453003)

摘要:PLC由于简单易学和可靠性高等优点而被广泛应用。步进电机是一种常用的机电执行元件,相应的驱动和控制电路对于其整体性能起着非常重要的作用。采用PLC和大功率晶体管实现步进电机的驱动和控制。整个系统具有结构简单、可靠性高、成本低和实用性强等特点,具有

较高的通用性和应用推广价值。

关键词:步进电机;控制器;驱动器

中图分类号:TM383.6　文献标志码:A　文章编号:1003-0794(2008)02-0114-03

DesignofDriveandControlSystemforStepperMotor

LIGuo-hou

(HenanInstituteofScienceandTechnology,Xinxiang453003,China)

Abstract:PLCsarewidelyusedbecauseoftheirsimplicityandhighreliability.Thesteppermotorisakindof

conventionalelectromechanicexecutiveelements,andthecorrespondingdrivingandcontrolcircuitshaveveryimportanteffectsuponitsoverallperformance.PLCandthehigh-powertransistorsareusedtoimplementeddrivingandcontrolofthesteppermotor.Thewholesystemhassuchfeaturesassimplestructure,highreli-ability,lowcost,andgoodpractibility,etc.,andpossessesbetterversatilityandhighervaluesofapplicationandgeneralization.Keywords:steppermotor;controller;driver0　引言

PLC作为新一代的工业控制器,由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。

步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机,其位移速度与脉冲频率成正比,位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成,可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当定子上绕组通电时,可产生激励磁场,并与转子形成回路。如果转子和定子之间的齿没有对齐,由于磁力线力图走磁阻最小的线路,从而带动转子旋转一角度,使转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子绕组矢量磁场旋转一个角度,转子也随着该磁场旋转一个角度。因此,控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压,转子就旋转一个步距角,称为一步。根据电压脉冲的分配方式,步进电机各相绕组的电流轮流切换,在供给连续脉冲时,就能一步一步地连续转动,从而使电机旋转。每转一周的步数相同,在不丢步的情况下运行,其步距误差不会长期积累。随着电力电子技术的发展,可以实现细分驱动,即将一个步距角细分成若干小步来驱动。步进电机必须使用专用的

步进电机驱动设备才能够正常工作。步进电机系统的运行性能,除与电机自身的性能有关外,在很大程度上还取决于驱动设备性能的优劣。1　控制原理

常用的步进电机分为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等类型,不同的步进电机在控制方式上基本是一样的。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。在实际应用中,反应式步进电机比较常用。步进电机具有步进数可控、运行平稳,价格便宜等优点。作为控制执行元件,步进电机是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种控制系统和精密机械等领域。

步进电机可以直接接受数字信号,不需要进行数字与模拟量的转换,具有高精度的快速启停能力。如果选用三相六拍,步距是1.5°,即进一步,电机转动1.5°,也即200步才能转动1周。步进电机直接由数字信号控制,其控制程序可以分为脉冲序列的生成、方向的控制、步进电机变速控制程序三部分。1.1　步进电机控制的基本原理

步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制2个方面。从结构上看,步进电机分为三相、四相、五相等类型,常用的则以三相为主。三相步进电机

的工作方式有三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种,下面具体加以阐述:

(1)换相顺序的控制

通电换相这一过程称为脉冲分配。例如,三相步进电机在单三拍的工作方式下,其各相通电顺序为A※B※C※A,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C相的通断。三相双三拍的通电顺序为AB※BC※CA※AB,三相六拍的通电顺序为A※AB※B※BC※C※CA※A。

(2)步进电机的转向控制

如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍,即A※AB※B※BC※C※CA※A。如果按反序通电换相,即A※AC※C※CB※B※BA※A,则电机就反转。其他方式情况类似。

(3)步进电机的速度控制

如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。2个脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率,就可以对步进电机进行调速。

1.2　步进电机的起停控制

步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感,即振动感。为了使电机转动平滑,减小振动,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波,可以减小步进电机的步进角,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑,则需采用合适的锁定波形,产生锁定磁力矩,锁定步进电机的转轴,使步进电机转轴不能自由转动。

1.3　步进电机的加减速控制

在步进电机控制系统中,通过实验发现,如果信号变化太快,步进电机由于惯性跟不上电信号的变化,这时就会产生堵转和丢步现象。所以步进电机在启动时,必须有加速过程,在停止时必须有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线,步进电机整个降速过程的频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比较符合步进电机升降过程的运行规律,能充分利用步进电机的有效转矩,快速响应性好,缩短了升降速的时间,并可防止失步和过冲现象。

在一个实际的控制系统中,要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”,与此类似,“停止频率”是指系统控制信号突然关断,步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和

图1　步进电机运行过程中频率变化曲线

输出转矩都要和负载的转动惯量相适应,有了这些数据,才能有效地对电机进行加减速控制。加速过程由突跳频率加加速曲线组成(减速过程反之)。突跳频率是指步进电机在静止状态时突然施加的脉冲启动频率f0。步进电机的最高起动频率(突跳频率)一般为0.1kHz到3～4kHz,而最高运行频率则可以达到N×10kHz,以超过最高起动频率的频率直接起动,会产生堵转和丢步的现象。较为理想的起动曲线应是按指数规律起动。但实际应用时对起动段的处理可采用按直线拟合的方法,即阶梯加速法。一般可按2种情况处理:

(1)已知突跳频率则按突跳频率分段起动,分段数n=f f0;

(2)未知突跳频率,则按段拟合至给定的起动频率,每段频率的递增量(后称阶梯频率)Δf=f 8,即采用8段拟合。在运行控制过程中,将起始的速度(频率)分为n分,作为阶梯频率,采用阶梯加速法将速度连续升到所需要的速度,然后锁定,按预置的曲线运行,如图1所示

。

2

在一般的应用中,经过大量实践和反复验证,频率如按直线上升或下降,控制效果就可以满足常规的应用要求。

用PLC实现步进电机的加 减速控制,实际上就是控制发脉冲的频率。加速时,使脉冲频率增高,减速时则相反。如果使用定时器来控制电机的速度,加减速控制就是不断改变定时中断的设定值。速度从v1～v2变化,如果是线性增加,则按给定的斜率加 减速;如果是突变,则按阶梯加速法处理。在此过程中要处理好2个问题:

(1)速度转换时间应尽量短　为了缩短速度转换的时间,可以采用建立数据表的方法。结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率,就可以建立一个连续的数据表,并通过转换程序将其转换为定时初值表。通过在不同的阶段调用相应的定时初值,就可控制电机的运行。定时初值的计算是在定时中断外实现的,并不占用中断时间,保证电机的高速运行。

(2)保证控制速度的精确性　要从一个速度准

确达到另外一个速度,就要建立一个校验机制,以防超过或未达到所需速度。

1.4　步进电机的换向控制

步进电机换向时,一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向,以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第1个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速※换向※加速3个过程。

2　PLC控制系统的设计

在采用PLC对步进电机进行控制的设计中,根据具体情况可选用多种不同的控制方案。常见的控制方案是利用PLC的高速脉冲输出功能输出脉冲信号,经过专用的步进电机驱动器去控制步进电机。由于小型PLC的高速脉冲输出端一般较少,这种控制方案要购置配套的驱动器,以产生控制步进电机的环型脉冲信号。

第2种常见的方案是用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号,并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号,这样就可以省掉专用的步进电机驱动器,降低硬件成本。但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒,相应的频率只能达到几百赫兹,因此,受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响,步进电机不能在高频下工作,无法实现高速控制。并且在速度较高时,由于受到扫描周期的影响,相应的控制精度就降低了。

这里也采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号,而速度脉冲信号则采用PLC的定时中断来产生,其最短时间为0.1ms,相应的频率可以达到10kHz,可以满足绝大多数的控制要求。应注意,PLC要选用晶体管输出型的,继电器输出型的实际输出频率很有限,不能满足控制要求。

采用这种方案,步进电机控制系统的硬件组成非常简单,即由PLC、直流电源和大功率管子组成的驱动电路等组成,其结构框图如图2所示。整个系统具有结构简单、成本低廉、可靠性高、使用方便、通用性强等特点。

制、正反转切换控制、起停控制。根据实际的工作情况计算出相应的脉冲频率,继而计算出定时中断的设定值,建立控制常数表。在具体控制中,程序根据

选定的工作方式不断地从控制常数表中取出速度参数送给定时器,即可实现相应的控制功能。在一个实际的控制系统中,要根据负载的情况来选择步进电机。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应,有了这些数据,才能有效地对电机进行加减速控制。在PLC对步进电机的控制中,需要根据下面计算出3个参数:

脉冲当量=(步进电机步距角×螺距) (360×传动速比)

脉冲频率上限=(移动速度×步进电机细分数) 脉冲当量

最大脉冲数量=(移动距离×步进电机细分数) 脉冲当量

根据这3个参数,才能计算出相应的控制数据。

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,就可实现闭环控制。

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作者简介:李国厚(1968-),河南光山人,副教授,硕士,主要从

图2　控制系统的结构框图

事智能控制与计算机控制方面的应用研究和教学工作,电子信箱:liguohou6@.

在控制系统的工作过程中,根据具体要求确定

步进电机的工作方式(正反转)、加减速控制、恒速控

收稿日期:2007-07-11

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qzsm.html