基于SCM和PLC的兩種步進(jìn)電機(jī)控制方法

0 引 言
步進(jìn)電機(jī)位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng)，精度高、響應(yīng)特性好、可靠性高、速度可在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，是控制系統(tǒng)中一種重要的自動(dòng)化執(zhí)行元件。
SCM(Single Chip Microcomputer，單片機(jī))是把組成微型計(jì)算機(jī)的中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器等制作在一塊集成電路芯片中，它具有小巧、低功耗、指令系統(tǒng)豐富等優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)控制的主角。
PLC(Programmable Logic Controller，可編程序邏輯控制器)是以微型計(jì)算機(jī)為核心的一種工控機(jī)。其控制方案能事先進(jìn)行模擬調(diào)試，自身設(shè)計(jì)采用了冗余措施和容錯(cuò)技術(shù)。由于PLC通用性強(qiáng)，編程操作方便，擴(kuò)展靈活，可靠性高，應(yīng)用幾乎覆蓋各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。
步進(jìn)電機(jī)的電脈沖信號(hào)若由SCM產(chǎn)生，就構(gòu)成以SCM為核心的控制系統(tǒng)。若電脈沖信號(hào)由PLC產(chǎn)生CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，就構(gòu)成以PLC為核心的控制系統(tǒng)。
1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式
反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)頻率響應(yīng)快、可雙向旋轉(zhuǎn)、定位準(zhǔn)確、起停速度快，因而使用多CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，具有代表性。三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)定子有6個(gè)等間隔的磁極，線圈繞過相互正對(duì)的兩個(gè)磁極構(gòu)成一相，共有A—A、B—B和C—C三相。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，若按順序給步進(jìn)電機(jī)的繞組施加有序的脈沖電流即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而進(jìn)行數(shù)字到角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動(dòng)的方向則與脈沖的順序有關(guān)。
從一相通電轉(zhuǎn)到另一相通電稱為一拍，對(duì)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，若按A→B→C→A順序通電，則稱為單相三拍運(yùn)行方式。若按A→AB→B→BC→C→C→A→A順序通電，則稱為三相六拍運(yùn)行方式。若按AB→BC→CA→AB順序通電，則稱為雙相三拍運(yùn)行方式。一般數(shù)字電路的信號(hào)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，必須要有一個(gè)與之匹配的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電路不僅應(yīng)該包含由功率開關(guān)器件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)主電路，還應(yīng)包含一個(gè)邏輯單元，在輸入脈沖序列的作用下輸出定子繞組通電狀態(tài)，控制主電路功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷。典型的驅(qū)動(dòng)電路主要有全電壓，恒流斬渡，升頻升壓等形式。
2 基于SCM的步進(jìn)電機(jī)控制方法
2.1 控制原理
SCM的P1口作為輸出口，P1.0，P1.1，P1.2分別輸出控制脈沖，通過7406驅(qū)動(dòng)脈沖功率放大級(jí)的達(dá)林頓復(fù)合管，再分別控制三相步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相。根據(jù)P1口輸出控制信號(hào)的狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。
表1列出了步進(jìn)電機(jī)工作在三相六拍時(shí)的控制字。從中可以看出，步進(jìn)電機(jī)第一個(gè)控制字?jǐn)?shù)據(jù)為01H，從上到下輸出控制字時(shí)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，電機(jī)正轉(zhuǎn)，自下而上輸出控制字?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一拍的時(shí)間決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在輸出一個(gè)控制字后加入一定的延時(shí)時(shí)間，即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

表1 三相六拍步進(jìn)電機(jī)控制字

2.2 控制程序
設(shè)SCM工作寄存器R3中存放了步進(jìn)電機(jī)要走的步數(shù)，轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標(biāo)志位F1(D5H)中，當(dāng)F1為“0”時(shí)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，F(xiàn)1為“1”時(shí)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)控制字存放在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器20H～25H中，26H中存放結(jié)束標(biāo)志00H。在27H開始的存儲(chǔ)區(qū)存放反轉(zhuǎn)控制字，在2DH單元存放結(jié)束標(biāo)志00H。SCM可以采用程序延時(shí)和定時(shí)器延時(shí)。下面利用定時(shí)器延時(shí)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，以中斷方式輸出控制脈沖。
3 基于PLC的步進(jìn)電機(jī)控制方法
本文以O(shè)MRON的CQM1型機(jī)為例，分析通過PLC的軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配。
由移位寄存器SFT(10)指令循環(huán)輸出實(shí)現(xiàn)脈沖分配，步進(jìn)電機(jī)工作在三相六拍時(shí)的狀態(tài)由內(nèi)部輔助寄存器IR016的00～05繼電器控制，為實(shí)現(xiàn)循環(huán)控制，由第6位信號(hào)01605作為反饋信號(hào)接到SFT的數(shù)據(jù)輸入端IN。SFT的移位脈沖輸入端CP可由PLC內(nèi)部高速定時(shí)器通過編程實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中為方便起見。采用了內(nèi)部特殊繼電器SR25500。SFT的復(fù)位輸入端R接步進(jìn)電機(jī)停止信號(hào)，該端為ON時(shí)，數(shù)據(jù)通道IR016的所有位置0，并且不接受數(shù)據(jù)輸入。
表2列出了IR016與步進(jìn)電機(jī)通電繞組的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)移位數(shù)據(jù)信號(hào)移到第一位時(shí)。移位寄存器SFT第一位01600的輸出應(yīng)接通步進(jìn)電機(jī)的A相；移到第二位時(shí)，應(yīng)接通A相和B相；其余如此類推。以A相繞組為例，由表2可知，當(dāng)輔助繼電器01600、01601、01605中任一個(gè)接通時(shí)(并聯(lián)關(guān)系)，A相通電。移位寄存器每一位的輸出信號(hào)先驅(qū)動(dòng)與步進(jìn)電機(jī)各相對(duì)應(yīng)的輸出繼電器，再由輸出繼電器通過功率放大器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。