基于s7200的步進電機控制器設(shè)計——畢業(yè)設(shè)計

1、基于基于S7200S7200的步進電機控制器設(shè)計的步進電機控制器設(shè)計引言引言步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)，主要優(yōu)點是定位精度高、無位置累積誤差。并且與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，其特有的開環(huán)運行機制能夠降低系統(tǒng)的成本、提高系統(tǒng)的可靠性，因此被廣泛應(yīng)用于對精度要求較高的運動控制系統(tǒng)中，如機器人、打印機、軟盤驅(qū)動器、繪圖儀和機械閥門控制器等。目前，能夠?qū)Σ竭M電機進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)形分配器運行速度低專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器集成度高、可靠性好，但適應(yīng)性差、開發(fā)周期長、費用較高。德國西門子公司的S7200[1]是一種小型的可編程序控制器，其功能強大，無論在獨立運行中還是相連成網(wǎng)絡(luò)，皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能，具有極高的性價比。本文利用S7200作為核心控制器件，憑借其產(chǎn)生的脈沖和實時定位系統(tǒng)來實現(xiàn)步進電機的控制。該控制器不但可以改善步進電機在

3、低速運行時振動大、噪聲大的缺點，而且可以克服步進電機在自然振蕩頻率附近運行時易產(chǎn)生共振、以及輸出轉(zhuǎn)矩隨著步進電機的轉(zhuǎn)速升高而下降等缺點，從而能夠顯著地提高步進電機的性能，拓寬步進電機的應(yīng)用領(lǐng)域。步進電機控制步進電機控制步進電機是數(shù)字控制電機，它區(qū)別于其他類型的控制電機的最大特點是：通過輸入脈沖信號來進行控制，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定[2]。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，便驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方

4、向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)。其旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可分為反應(yīng)式步進電機(VR)、永磁式步進電機(PM)和混合式步進電機(HB)[3]。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號進行工作，控制信號由相應(yīng)的控制器來產(chǎn)生，控制換相順序和通電換相。這一過程稱為“脈沖分配”。例如：四相步進電機的

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

6、步進電機的平穩(wěn)起動、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電機正轉(zhuǎn)Cp為減脈沖輸入端它使步進電機反轉(zhuǎn)Ck為脈沖輸入端當(dāng)脈沖加入此引腳時Cu和Cp應(yīng)接地正反轉(zhuǎn)由UD的電平控制EA和EB用來選擇勵磁方式的可以選擇的方式有一相勵磁、二相勵磁和一二相勵磁ΦC用來選擇三、四相步進電機Vss為芯片工作地R為芯片復(fù)位端Φ4～Φ1為四相步進脈沖輸出端Φ3～Φ1為三相步進脈沖輸出端Em為勵磁監(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，時鐘選通部分用于設(shè)定步進電機的正反轉(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，CP、CU兩端分別輸入步進電機正反轉(zhuǎn)的控制脈沖。當(dāng)采用單脈沖輸入時，步進電機的正反轉(zhuǎn)方向由UD的高、低電位決定。激勵方式控制電路用來選擇采用何種勵磁方式。激勵方式判斷電路用于輸出檢測；而可逆環(huán)形計數(shù)器則用于產(chǎn)生步進電機在選定的勵磁方式下的各相通斷時序信號。PMM8

8、713是屬于單極性控制，這里用于控制四相步進電機，我們選擇的是四相八拍工作方式。8713可以選擇單時鐘輸入或雙時鐘輸入，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)計選用單時鐘輸入方式，8713的3腳為步進電機脈沖輸入端，4腳為轉(zhuǎn)向控制端，這兩個引腳的輸入均由PLC提供和控制，選對四相步進電機進行八拍控制，所以5、6、7腳

9、接高電平。由于采用了脈沖分配器，PLC只需提供步進脈沖，進行速度控制和轉(zhuǎn)向控制，脈沖分配的工作交給8713來自動完成，因此，CPU的負擔(dān)減輕許多。由于步進電機的驅(qū)動電流較大，所以脈沖分配器與步進電機之間需要有驅(qū)動電路。而且為提高加工精度往往要求步進電動機具有很小的步距角，單從電機本身來解決是有限度的，特別是小機座號的電機。而細分電路電源可使步進電動機的步距角減小，從而使步進運動變成近似的勻速運動的一種驅(qū)動電源。這樣，步進電動機就能像伺服

10、電動機一樣平滑運轉(zhuǎn)。細分電路電源原理是將原來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階梯時，電機的步距角減小，從而提高其運行的平滑性。這種供電方式就是細分電路驅(qū)動。從圖43中可以看到，供給電機的電流是由零經(jīng)過四個均勻?qū)挾群头鹊碾A梯上升到穩(wěn)定值。下降時，又是經(jīng)過同樣的階梯從穩(wěn)定值降至零。這可以使電機內(nèi)形成一個基本上連續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁場，使電動機能基本上接近于平滑運轉(zhuǎn)。本設(shè)計采用恒頻脈寬調(diào)制細分驅(qū)動，驅(qū)動電路

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，通過定時器輸出20kHz方波送D觸發(fā)器，作為恒頻信號。并輸出階梯電壓的數(shù)字信號到DA轉(zhuǎn)換器，作為控制信號。階梯電壓的每一次變化，都使轉(zhuǎn)子走一細分步。當(dāng)DA轉(zhuǎn)換器輸出的ua不變時，恒頻信號CLK的上升沿使D觸發(fā)器輸出ub高電平，使開關(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，比較器輸出低電平，使D