1、基于 S7-200 的步进电机控制器设计引言步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，主要优点是定位精度高、无位置累积误差。并且与闭环控制系统相比，其特有的开环运行机制能够降低系统的成本、提高系统的可靠性，因此被广泛应用于对精度要求较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪和机械阀门控制器等。目前，能够对步进电机进行控制的主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器和专用集成芯片环形脉冲分配器等。分散器件组成的环形脉冲分配器体积比较大、可靠性较低;软件环形分配器运行速度低;专用集成芯片环形脉冲分配器集成度高、可靠性好，但适应性差、开发周期长、费用较高。德国西门子
2、公司的 S7-2001 是一种小型的可编程序控制器，其功能强大，无论在独立运行中还是相连成网络，皆能实现复杂控制功能，具有极高的性价比。本文利用 S7-200 作为核心控制器件，凭借其产生的脉冲和实时定位系统来实现步进电机的控制。该控制器不但可以改善步进电机在低速运行时振动大、噪声大的缺点，而且可以克服步进电机在自然振荡频率附近运行时易产生共振、以及输出转矩随着步进电机的转速升高而下降等缺点，从而能够显著地提高步进电机的性能，拓宽步进电机的应用领域。步进电机控制步进电机是数字控制电机，它区别于其他类型的控制电机的最大特点是：通过输入脉冲信号来进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机
3、的转速由脉冲信号频率决定2。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，便驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)。其旋转是以固定的角度一步一步运行的，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可分为反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)和混合式步进电机(HB)3。步进电机的驱动电路根据控制信号进行工作，控制信号由相应的控制器来产生，控制换相顺序和通电换相。这一过程称为“脉冲分配”。例如：四相步进电机的单四拍工作方式，其各相通电顺序为 A-B-C-D。通电控制脉冲必须严格按照这一
4、顺序分别控制 A、B、C、D 相的通断，控制步进电机的转向。如果给定工作方式正序换相通电，则步进电机正转;如果按反序换相通电，则电机就反转。步进电机接收到一个控制脉冲，便转一步;再接收到一个脉冲，再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机转得越快。调整控制器发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速4。控制系统完成的功能步进电机的平稳起动、加速、减速和平稳停止这是控制系统首先要实现的功能7。S7-200 中，支持高速输出口PTO0/PTO1 的线性加/减速，通过 MicroWin 向导程序，非常容易实现。实际上，以目前的情况，线性加/减速只能使用向导生成的程序，西门子没有公开独立可使用的指令。定位控
5、制功能定位控制、调节和控制操作之间存在一些区别。步进电机不需要连续的位置控制，而在控制操作中得到广泛应用9。借助于 CPU214 所产生的集成脉冲输出和定位指令系统，确定相对一根轴的固定参考点，借助于一个输入字节的对偶码(Dual coding)给 CPU 指定定位角度，在程序中根据该码计算出所需的定位步数，再由 CPU 输出相关个数的控制脉冲，通过步进电机来实现相对的定位控制。驱动电路由脉冲信号分配和功率细分驱动电路组成。根据控制器输入的脉冲和方向信号，为步进电机各绕组提供正确的通电顺序，以及电机需要的高电压、大电流；同时提供各种保护措施，如过流、过热等保护。功率驱动器将控制脉冲按照设定的模
6、式转换成步进电机线圈的电流，产生旋转磁场，使得转子只能按固定的步数来改变它的位置。连续的脉冲序列产生与其对应同频率的步序列。如果控制频率足够高，步进电机的转动可看作一个连续的转动。目前，对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计选用第三种方案，用 PMM8713 为四相步进电机的脉冲分配器。PMM8713 是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器，适用于控制三相或四相步进电机。控制三相或四相步进电机时都可以选择 3 种励磁方式，每相最小吸入与拉出电流为 20mA，它不仅满足后级功率放大器的输入要求，而且在其所有输入端上均内嵌
7、施密特触发电路，抗干扰能力强，其原理框图如图 4-2 所示。图 4-2 PMM8713 的原理框图图 4-2 中，Cu 为加脉冲输入端,它使步进电机正转,Cp 为减脉冲输入端,它使步进电机反转,Ck 为脉冲输入端,当脉冲加入此引脚时,Cu 和 Cp 应接地,正反转由 U/ D 的电平控制,EA 和 EB 用来选择励磁方式的,可以选择的方式有一相励磁、二相励磁和一二相励磁,C 用来选择三、四相步进电机,Vss 为芯片工作地,R 为芯片复位端,41 为四相步进脉冲输出端,31 为三相步进脉冲输出端,Em 为励磁监视端,Co 为输入脉冲监视端,VDD 为芯片的工作电源( +4+18V)。在 PMM8
8、713 的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入发。PMM8713 有两种脉冲输入法：双脉冲输入法和单脉冲输入法。采用双脉冲输入法时，CP、CU 两端分别输入步进电机正反转的控制脉冲。当采用单脉冲输入时，步进电机的正反转方向由 U/D 的高、低电位决定。激励方式控制电路用来选择采用何种励磁方式。激励方式判断电路用于输出检测；而可逆环形计数器则用于产生步进电机在选定的励磁方式下的各相通断时序信号。PMM8713 是属于单极性控制，这里用于控制四相步进电机，我们选择的是四相八拍工作方式。8713 可以选择单时钟输入或双时钟输入，具有正反转控制、初始化复位、工作方式和输入脉冲状态监
9、视等功能，所有输入端内部都设有斯密特整形电路，提高抗干扰能力，使用 4-18V 直流电源，输出电流为 20mA。本设计选用单时钟输入方式，8713 的 3 脚为步进电机脉冲输入端，4 脚为转向控制端，这两个引脚的输入均由 PLC 提供和控制，选对四相步进电机进行八拍控制，所以 5、6、7 脚接高电平。由于采用了脉冲分配器，PLC 只需提供步进脉冲，进行速度控制和转向控制，脉冲分配的工作交给 8713 来自动完成，因此，CPU 的负担减轻许多。由于步进电机的驱动电流较大，所以脉冲分配器与步进电机之间需要有驱动电路。而且为提高加工精度往往要求步进电动机具有很小的步距角，单从电机本身来解决是有限度的
10、，特别是小机座号的电机。而细分电路电源可使步进电动机的步距角减小，从而使步进运动变成近似的匀速运动的一种驱动电源。这样，步进电动机就能像伺服电动机一样平滑运转。细分电路电源原理是将原来的供电的矩形脉冲电流波改为阶梯波形电流，如图 4-3 所示。这样在输入电流的每一个阶梯时，电机的步距角减小，从而提高其运行的平滑性。这种供电方式就是细分电路驱动。从图 4-3 中可以看到，供给电机的电流是由零经过四个均匀宽度和幅度的阶梯上升到稳定值。下降时，又是经过同样的阶梯从稳定值降至零。这可以使电机内形成一个基本上连续的旋转磁场，使电动机能基本上接近于平滑运转。本设计采用恒频脉宽调制细分驱动，驱动电路如图 4
11、-4 所示，图中 D 触发器：D=“1”，CLR 置零。R2 为采样电阻，压降输入比较器。PLC 作为控制主体，通过定时器输出 20kHz 方波送 D 触发器，作为恒频信号。并输出阶梯电压的数字信号到 D/A 转换器，作为控制信号。阶梯电压的每一次变化，都使转子走一细分步。当 D/A 转换器输出的 ua不变时，恒频信号 CLK 的上升沿使 D 触发器输出 ub高电平，使开关管 T1、T2 导通，绕组中的电流上升，取样电阻 R2上压降增加。当采样电压大于 ua时，比较器输出低电平，使 D 触发器输出 ub为低电平，T1、T2 截止，绕组的电流下降。当 R2上的压降小于 ua时比较器输出高电平，使
12、D 触发器输出高电平，T1、T2 导通，绕组中的电流重新上升。上述过程反复进行，使绕组电流的波顶为锯齿形，如图 4-5。因为 CLK 的频率较 高，锯齿形波纹很小。当 ua上升突变时， 取样电阻上的压降 小于 ua，电流有 较长的上升时间， 电流大幅增长，上 升一个阶级。当 ua下 降突变时，R2上的 压降有较长时间大 于 ua，比较器输 出低电平，电源始终被切断，使电流大幅下降，直到新的阶级为止。如此实现了细分驱动。图 4-4 恒频脉宽调制细分驱动电路步进电机的选择本设计选用 55BF-009 型四相反应式步进电动机，步距角 0.9/1.8，电压 24V，电流 3A，保持转矩 0.748(8
13、) N.m( kg.cm)，空载启动频率为 2500Hz。4.3 端口定义及系统控制4.3.1 端口定义对 S7-200 的部分端口定义如表 4-4 所示，图 4-6 为实物图。表 4-4 控制端口定义PLC 部 分 输 入 与 输 出 信 号I 输 入 对 象 Q 输 入 对 象 M 标 志 位I0.0-I0.7 定 位 角 （ 以 度 为 单 位 ） Q0.0 脉 冲 输 出 M0.1 电 机 运 转标 志 位I1.0 启 动 按 扭 Q0.1 旋 转 方 向 M0.2 联 锁 标 志位I1.1 停 止 按 扭 Q1.0 操 作 模 式 M0.3 参 考 点 标志 位I1.4 设 置 /取
14、 消 参 考 点 按 扭 MD8， MD12 辅 助 标 志位I1.5 旋 转 方 向 选 择 按 扭控制器设计通常情况下，步进电机驱动系统由控制电路、驱动电路和步进电机三部分构成，如图所示为步进电机驱动控制电路的硬件连接框图。控制电路控制电路用于产生脉冲，以控制电机的速度和转向5。本设计中采用SIMATIC S7-200 CPU-224 PLC6作为控制核心部件。S7-200PLC 的 CPU224 有两个脉冲输出，可以用来产生控制步进电机驱动器的脉冲，实现控制要求。S7-200CPU 含有高速脉冲输出功能，CPU 脉冲输出频率达 20KHz100KHz，可以用来驱动步进电机或伺服电机，并由
15、电机直接驱动负载主轴旋转，完成控制工艺所要求的动作。S7-200 CPU224 的一般性能如表 4-1 所示。表 4-1 S7-200 CPU224 一般性能电源电压 DC 24V，AC 100230V电源电压波动 DC 20.4-28.8V，AC 84-264V（47-63Hz）环境温度、湿度 水平安装 0550C，垂直安装 0450C，595%大气压 8601080hPa保护等级 IP20 到 IEC529输出给传感器的电压 DC 24V （20.4-28.8V）输出给传感器的电流 280mA，电子式短路保护（600mA）为扩展模块提供的输出电流 660mA程序存储器 8K 字节/典型值为
16、 2.6K 条指令数据存储器 2.5K 字存储器子模块 1 个可插入的存储器子模块数据后备整个 BD1 在 EEPROM 中无需维护在 RAM 中当前的 DB1 标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维持，后备时间 190h（40 0C 时 120h），插入电池后备 200 天编程语言 LAD，FBD，STL程序结构 一个主程序块（可以包括子程序）程序执行 自由循环。中断控制，定时控制（1255ms）子程序级 8 级用户程序保护 3 级口令保护指令集 逻辑运算、应用功能位操作执行时间 0.37s扫描时间监控 300ms（可重启动）内部标志位 256，可保持：EEPROM 中 0112计数器
17、 0256，可保持：256，6 个高速计数器定时器可保持：256，4 个定时器，1ms30s16 个定时器，10ms5min236 个定时器，100ms54min接口 一个 RS485 通信接口可连接的编程器/PC PG740P = 2 * ROMAN II，PG760P = 2 * ROMAN II，PC（AT）本机 I/O数字量输入：14，其中 4 个可用作硬件中断，14 个用于高速功能数字量输出：10，其中 2 个可用作本机功能，模拟电位器：2 个可连接的 I/O数字量输入/输出：最多 94/74模拟量输入/输出：最多 28/7（或 14）AS 接口输入/输出：496最多可接扩展模块 7
18、 个2输入特性S7-200 CPU224 的输入特性如表 4-2 所示。表 4-2 S7-200 CPU224 输入特性类型 源型或汇型输入电压 DC 24V，“1 信号”：14-35A，“0 信号”：0-5A，隔离 光耦隔离，6 点和 8 点输入电流 “1 信号”：最大 4mA输入延迟（额定输入电压） 所有标准输入：全部 0.2-12.8ms（可调节）中断输入：（I0.0-0.3）0.2-12.8ms（可调节）高速计数器：（I0.0-0.5）最大 30kHz3输出特性S7-200 CPU224 输出特性如表 4-3 所示。表 4-3 S7-200 CPU224 的输出特性类型 晶体管输出型
19、继电器输出型额定负载电压 DC 24V（20.4-28.8V） DC 24V（4-30V）AC24-230V（20-250V）输出电压 “1 信号”：最小 DC 20V L+/L-隔离 光耦隔离，5 点 继电器隔离，3 点和 4 点最大输出电流 “1 信号”：0.75A “1 信号”：2A最小输出电流 “0 信号”：10 s A “0 信号”：0mA输出开关容量 阻性负载：0.75A灯负载：5W 阻性负载：2A灯负载：DC30W，AC200W步进电机控制信号经驱动器放大后驱动步进电机，带动负载8。用 S7-200PLC Q0.0 和 Q0.1 的输出脉冲触发步进电机驱动器。当输入端发出“STA
20、RT”信号后，控制器将输出固定数目的方波脉冲，使步进电机按对应的步数转动;当输入端I1.1 发出“STOP”信号后，步进电机停止转动;接在输入端 I1.5 的方向开关位置决定电机正转或反转。本设计采用带有标准功率驱动器和相关连接电缆的步进电机。控制说明在控制过程中中，为使步进电机换向时平滑过渡，避免产生错步，应在每一步中设置标志位3。在正转时，不仅给正转标志位赋值，也同时给反转标志位赋值;在反转时也需做如此处理。这样，当步进电机换向时，以上一次的位置作为起点反向运动，避免了电机换向时产生错步10。步进电机控制系统的软件主要由主控程序、细分驱动程序、键处理程序、显示数据处理及显示驱动程序、通信监
21、控程序等部分组成。细分驱动主控制程序控制整个程序的流程，主要完成程序的初始化、参考点的设置和取消、定位控制和电机的停止/启动等。初始化。在程序的第一个扫描周期，初始化重要参数。选择旋转方向和解除联锁。设置和取消参考点。如果还没有确定参考点，那么参考点曲线应从按“START”按钮(I1.0)开始。CPU 有可能输出最大数量的控制脉冲。在所需的参考点，按“设置/取消参考点”开关后，首先调用停止电机的子程序。然后，再把新的操作模式“定位控制激活”显示在输出端 Q1.0。如果开关已激活，而且“定位控制”也被激活，则切换到“参考点曲线”，并取消“定位控制激活”(Q1.0=0)。此外，控制还为输出最大数量
22、的控制脉冲做准备。当再次激活开关，便在两个模式之间切换。如果此信号产生的同时电机在运转，那么电机就自动停止。定位控制。如果确定了一个参考点，而且没有联锁，那么就执行相对的定位控制，控制器从输入字节读出对偶码方式的定位角度。与此角度有关的脉冲数，根据下面的公式计算:N=f/360oS(式中 N 表示控制脉冲数，f 表示旋转角度，S 表示每转所需的步数)。停止电机。按“STOP”(停止)按扭(I1.1)，控制端 Q0.0 输出结束脉冲，可在任何时候停止电机。结语采用本方案设计步进电机驱动系统，即基于 S7-200 采用额定电流可调等角度恒力矩细分的方法设计步进电机控制器，在驱动二相或四相混合式步进
23、电机时运动平稳、运行速度快、噪音低、控制精度高，而且可选择整步、半步驱动。经试验，采用额定电流可调的等角度恒力矩细分型的驱动器，克服了传统步进电机低速振动大和噪声大的缺点，电机在较大速度范围内转矩保持恒定，提高了控制精度，减小了发生共振的几率，具有很好的稳定性、可靠性和通用性，且结构简单、性价比高。此外，在驱动电路中增加光电耦合电路，可进一步提高硬件系统的抗干扰能力，避免电机对数字电路的影响。MCH (30V /2A)302DB 直流稳压电源, MCH 高精度 DC 电源为恒压，恒流型直流稳压电源，特点为精度高、可靠性强。能全时满负荷输出。适用于科技产品开发、实验室、电子生产线及移动电话，无线寻呼机维修使用。 电压调节范围 输出电压从 0 到标称值之间连续可调电压稳定度 电压稳定度0.0%+2mV负载稳定度0.0%+2mV恢复时间 100S纹波噪声 1MVRMS（有效值）稳压状态温度系数 300PPM/oC电流调节范围 输出电流在 0 到称值之间连续可调电流,负载稳定度 0.2%+3mA恒流状态纹波噪声 3mArms电源电压 220V10% 50/60Hz(根据要求可以在 11010%50/60Hz)工作环境 温度:-10 oC40oC 相对湿度 90%额定工作条件及面板特征储存环境 温度:-20 oC80oC 相对湿度 80%
