6ES7515-2FM02-0AB0
本文介绍了一种新型步进电机控制驱动器。该驱动器充分利用了单片机软件控制灵活和PLC的ΔC门控制方便的主要特点，将传统的PLC步进电机控制模块与驱动电源合二为一，是一种新型的运动控制产品。
传统上，在用PLC控制步进电机时，通常在PLC中附加一块专用的步进电机控制智能模块，再与驱动电源相连接实现控制功能。在市场上，一片PLC的价格在2000元左右，而一块控制智能模块也值2000 元，再加上驱动电源在1500 到2500元左右，在一些小型控制中显得成本过高。本文介绍的一种控制驱动器产品，采用单片机内置式控制软件，接收PLC 的OC门信息，将步进电机控制模块与驱动电源合二为一，省去了步进电机控制智能模块，使成本大为降低。该驱动器适用于各种二相、小于3A的步进电机。
一、系统硬件
本系统采用软件环分驱动，大量工作由软件完成。硬件电路十分简单。如图1所示。
图1 控制驱动器线路简图
图2所示，同PLC 配合闭环控制步进电机，是该驱动器的一种典型应用。
图2 系统硬件
二、系统工作原理
众所周知，普通的PLC 可编程控制器，输入为OC门或继电器，很少有高速脉冲输出口，但一般有脉冲计数输入接口。我们利用这一特征点，通过以下配置可方便的完成机械运动的过程或位置控制。
在机械运动机构上安装过程控制使用的长光栅，并在运动机构一端设定限位开关为机械原点(可用光电、霍尔元件)，远离限位开关为步进电机运行的正方向。当步进电机通电后，向机械原点运行，当碰到限位开关时， PLC内部的计数器自动清零。如我们要进行机械运动的过程控制，通过光栅与步进电机带动的机械部件相连，确定步进电机与光栅的脉冲当量值之后，即可在PLC可编程控制器上编程实现高速高效的过程控制了。例如：步进电机的脉冲当量为01001mm，与之配合的光栅反馈脉冲也选配输出每个脉冲为01001mm，这样步进电机每走一步，光栅反馈一次信号到PLC内，计数器则加(或减)一。
由于该步进电机控制驱动器有7种速度可选，在不同的运动情况下选不同的速度，当运行到确定的位置后，停止步进电机即可。控制驱动器内还自带升降频控制、整步/细分切换等功能，PLC的控制使用十分方便。
三、系统软件
该系统的核心是单片机软件部分。
软件由以下几个主要模块组成。如图3所示。
图3 控制软件模块
初始化模块：清理程序中所需的标志位，判断是否需要启动电机并复位电机。
输入模块：CPU接收来自INT1到INT4的电平信号。其中INT1到INT3的各种不同组合用以选择7种常用频率来驱动电机，参见表1。INT4决定运动方向(1表示正转，0表示反转) 。
表1 编码信息与频率关系
升降频模块：此模块包括升降频数据表和查询数据表并给计数器T0赋值两个子模块。它保证在两种频率之间切换时平稳圆滑过渡且不失步。程序在升降频过程中，涉及到“优化升降频曲线”如图4所示，这条曲线的方程由电机参数决定。详细说明查阅其他资料。在处理这条曲线时，由时间t 每递增△t 所对应的频率f构成一张表，并对应生成一页MCS - 51 汇编语言数据表(计时器T0 的初值)，以查询数据表的方式来拟合这条曲线，实现优化升降频过程。
图4 升降频曲线
整步/细分切换模块：程序确定将七种常用频率以细分形式驱动电机，以满足电机处以不同工作状态时的不同需要；并将高频率设置成以整步驱动电机，使电机能高速空走。本模块负责完成从整步到细分、从细分到整步的切换。
输出模块：此模块包括脉冲环分和环分脉冲输出(T0 中断完成)两个子模块。本系统按二相二十拍编写程序。改变此模块可以广泛适用于二相各拍步进电机。
| 步进电机的可编程控制器直接控制，可使组合机床自动生产线控制系统的成本显著下降。文章介绍了用PLC控制步进电机驱动的数控滑台方法，伺服控制、驱动及接口以及步进电机PLC控制的软件逻辑。 1 概述 在组合机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台（1）液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工工序中；（2）机械滑台，用于切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中；（3）数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。可编程控制器（简称PLC）以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及CNC机床的S、T、M功能控制更显示出其卓越的性能。PLC控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低70~90%，甚至只占用自动线控制单元PLC的3~5个I/O接口及<1KB的内存。特别是大型自动线中可以使控制系统的成本显著下降。 2 PLC控制的数控滑台结构 一般组合机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用PLC控制的数控滑台由可编程控制器、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成，见图1。 3 数控滑台的PLC控制方法 数控滑台的控制因素主要有三个： 3.1 行程控制 一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器（行程开关/死挡铁）来实现；而数控滑台的行程则采用数字控制来实现。由数控滑台的结构可知，滑台的行程正比于步进电机的总转角，只要控制步进电机的总转角即可。由步进电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数；可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数： n= DL/d （1） 式中 DL——伺服机构的位移量（mm），d ——伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲） 3.2 进给速度控制 伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率;可以根据该工序要求的进给速度,确定其PLC输出的脉冲频率: f=Vf/60d (Hz) （2） 式中 Vf——伺服机构的进给速度(mm/min) 3.3 进给方向控制 进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向;如三相步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A…时步进电机正转;当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A…顺序通电时步进电机反转。可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。 4 PLC的软件控制逻辑 由滑台的PLC控制方法可知，应使步进电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器；对于频率较低的控制脉冲，可以利用PLC中的定时器构成，如图2所示。脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器C10。当脉冲数达到设定值时，计数器C10动作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转，伺服执行机构定位。当伺服执行机构的位移速度要求较高时，可以用PLC中的高速脉冲发生器。不同的PLC其高速脉冲的频率可达4000~6000Hz。对于自动线上的一般伺服机构，其速度可以得到充分满足。 5.1 步进电机控制系统的组成 步进电机的控制系统由可编程控制器、环行脉冲分配器和步进电机功率驱动器组成，其结构见图1。 控制系统中PLC用来产生控制脉冲；通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量；通过编程控制脉冲频率——既伺服机构的进给速度；环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环行分配器，也可以采用如图1所示的硬件环行分配器。采用软环占用的PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数M>4时，对于大型生产线应该予以充分考虑。采用硬件环行分配器，硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC的I/O口点数，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动器将PLC输出的控制脉冲放大到几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力。一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几~几十伏特、几十~几百毫安。但对于功率步进电机则要求几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力，应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。 5.2 可编程控制器的接口 如伺服机构采用硬件环行分配器，则占用PLC的I/O口点数少于5点，一般仅为3点。其中I口占用一点，作为启动控制信号；O口占用2点，一点作为PLC的脉冲输出接口，接至伺服系统硬环的时钟脉冲输入端，另一点作为步进电机转向控制信号，接至硬环的相序分配控制端，如图3所示；伺服系统采用软件环行分配器时，其接口如图4。 将PLC控制的开环伺服机构用于某大型生产线的数控滑台，每个滑台仅占用4个I/O接口，节省了CNC控制系统，其脉冲当量为0.01~0.05mm,进给速度为Vf=3~15m/min,完全满足工艺要求和加工精度要求。 |