基于s7200的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)——畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、基于基于S7200S7200的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)引言引言步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要優(yōu)點(diǎn)是定位精度高、無(wú)位置累積誤差。并且與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，其特有的開(kāi)環(huán)運(yùn)行機(jī)制能夠降低系統(tǒng)的成本、提高系統(tǒng)的可靠性，因此被廣泛應(yīng)用于對(duì)精度要求較高的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，如機(jī)器人、打印機(jī)、軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、繪圖儀和機(jī)械閥門(mén)控制器等。目前，能夠?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的主要有由分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器和專(zhuān)用集

2、成芯片環(huán)形脈沖分配器等。分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器體積比較大、可靠性較低軟件環(huán)形分配器運(yùn)行速度低專(zhuān)用集成芯片環(huán)形脈沖分配器集成度高、可靠性好，但適應(yīng)性差、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、費(fèi)用較高。德國(guó)西門(mén)子公司的S7200[1]是一種小型的可編程序控制器，其功能強(qiáng)大，無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中還是相連成網(wǎng)絡(luò)，皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，具有極高的性價(jià)比。本文利用S7200作為核心控制器件，憑借其產(chǎn)生的脈沖和實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。該控制器不但可以改善步進(jìn)電機(jī)在

3、低速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)大、噪聲大的缺點(diǎn)，而且可以克服步進(jìn)電機(jī)在自然振蕩頻率附近運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生共振、以及輸出轉(zhuǎn)矩隨著步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高而下降等缺點(diǎn)，從而能夠顯著地提高步進(jìn)電機(jī)的性能，拓寬步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它區(qū)別于其他類(lèi)型的控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是：通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定[2]。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，便驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方

4、向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”)。其旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)和混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)[3]。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)進(jìn)行工作，控制信號(hào)由相應(yīng)的控制器來(lái)產(chǎn)生，控制換相順序和通電換相。這一過(guò)程稱(chēng)為“脈沖分配”。例如：四相步進(jìn)電機(jī)的

5、單四拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳BCD。通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C、D相的通斷，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。如果給定工作方式正序換相通電，則步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)如果按反序換相通電，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)控制脈沖，便轉(zhuǎn)一步再接收到一個(gè)脈沖，再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整控制器發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速[4]?？刂葡到y(tǒng)完成的功能控制系統(tǒng)完成的功能步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)、加速、減速和平穩(wěn)停止

6、步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)、加速、減速和平穩(wěn)停止圖42中，Cu為加脈沖輸入端它使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)Cp為減脈沖輸入端它使步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)Ck為脈沖輸入端當(dāng)脈沖加入此引腳時(shí)Cu和Cp應(yīng)接地正反轉(zhuǎn)由UD的電平控制EA和EB用來(lái)選擇勵(lì)磁方式的可以選擇的方式有一相勵(lì)磁、二相勵(lì)磁和一二相勵(lì)磁ΦC用來(lái)選擇三、四相步進(jìn)電機(jī)Vss為芯片工作地R為芯片復(fù)位端Φ4～Φ1為四相步進(jìn)脈沖輸出端Φ3～Φ1為三相步進(jìn)脈沖輸出端Em為勵(lì)磁監(jiān)視端Co為輸入脈沖監(jiān)視端VDD為芯片的工作電

7、源(4～18V)。在PMM8713的內(nèi)部電路中，時(shí)鐘選通部分用于設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)脈沖輸入發(fā)。PMM8713有兩種脈沖輸入法：雙脈沖輸入法和單脈沖輸入法。采用雙脈沖輸入法時(shí)，CP、CU兩端分別輸入步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制脈沖。當(dāng)采用單脈沖輸入時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)方向由UD的高、低電位決定。激勵(lì)方式控制電路用來(lái)選擇采用何種勵(lì)磁方式。激勵(lì)方式判斷電路用于輸出檢測(cè)；而可逆環(huán)形計(jì)數(shù)器則用于產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)在選定的勵(lì)磁方式下的各相通斷時(shí)序信號(hào)。PMM8

8、713是屬于單極性控制，這里用于控制四相步進(jìn)電機(jī)，我們選擇的是四相八拍工作方式。8713可以選擇單時(shí)鐘輸入或雙時(shí)鐘輸入，具有正反轉(zhuǎn)控制、初始化復(fù)位、工作方式和輸入脈沖狀態(tài)監(jiān)視等功能，所有輸入端內(nèi)部都設(shè)有斯密特整形電路，提高抗干擾能力，使用418V直流電源，輸出電流為20mA。本設(shè)計(jì)選用單時(shí)鐘輸入方式，8713的3腳為步進(jìn)電機(jī)脈沖輸入端，4腳為轉(zhuǎn)向控制端，這兩個(gè)引腳的輸入均由PLC提供和控制，選對(duì)四相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行八拍控制，所以5、6、7腳

9、接高電平。由于采用了脈沖分配器，PLC只需提供步進(jìn)脈沖，進(jìn)行速度控制和轉(zhuǎn)向控制，脈沖分配的工作交給8713來(lái)自動(dòng)完成，因此，CPU的負(fù)擔(dān)減輕許多。由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流較大，所以脈沖分配器與步進(jìn)電機(jī)之間需要有驅(qū)動(dòng)電路。而且為提高加工精度往往要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有很小的步距角，單從電機(jī)本身來(lái)解決是有限度的，特別是小機(jī)座號(hào)的電機(jī)。而細(xì)分電路電源可使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角減小，從而使步進(jìn)運(yùn)動(dòng)變成近似的勻速運(yùn)動(dòng)的一種驅(qū)動(dòng)電源。這樣，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就能像伺服

10、電動(dòng)機(jī)一樣平滑運(yùn)轉(zhuǎn)。細(xì)分電路電源原理是將原來(lái)的供電的矩形脈沖電流波改為階梯波形電流，如圖43所示。這樣在輸入電流的每一個(gè)階梯時(shí)，電機(jī)的步距角減小，從而提高其運(yùn)行的平滑性。這種供電方式就是細(xì)分電路驅(qū)動(dòng)。從圖43中可以看到，供給電機(jī)的電流是由零經(jīng)過(guò)四個(gè)均勻?qū)挾群头鹊碾A梯上升到穩(wěn)定值。下降時(shí)，又是經(jīng)過(guò)同樣的階梯從穩(wěn)定值降至零。這可以使電機(jī)內(nèi)形成一個(gè)基本上連續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使電動(dòng)機(jī)能基本上接近于平滑運(yùn)轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)采用恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路

11、如圖44所示，圖中D觸發(fā)器：D=“1”，CLR置零。R2為采樣電阻，壓降輸入比較器。PLC作為控制主體，通過(guò)定時(shí)器輸出20kHz方波送D觸發(fā)器，作為恒頻信號(hào)。并輸出階梯電壓的數(shù)字信號(hào)到DA轉(zhuǎn)換器，作為控制信號(hào)。階梯電壓的每一次變化，都使轉(zhuǎn)子走一細(xì)分步。當(dāng)DA轉(zhuǎn)換器輸出的ua不變時(shí)，恒頻信號(hào)CLK的上升沿使D觸發(fā)器輸出ub高電平，使開(kāi)關(guān)管T1、T2導(dǎo)通，繞組中的電流上升，取樣電阻R2上壓降增加。當(dāng)采樣電壓大于ua時(shí)，比較器輸出低電平，使D