PWM向導控制在步進電機中的應用

馬新榮

[摘 要]本文介紹了PWM向導控制的設定方法，并闡述了利用PWM實現步進電機控制的系統設計。

[關鍵詞]PWM；控制；步進電機

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.02.031

1 控制要求

步進電機選用Kinko公司的2S86Q-03080 兩相雙極微步型電機，驅動器選用KINCO-2M530。設置驅動器細分為10，輸出相電流為3.0A。

按下正轉啟動按鈕，步進電機順時針旋轉，轉一圈用時5秒，按下反轉啟動按鈕，步進電機逆時針旋轉，轉一圈用時10秒，并且步進電機在任何時刻都能夠從正轉變為反轉或從反轉變為正轉，按下停止按鈕，步進電機停止。

2 控制方案

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移或線位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角）。通過控制脈沖個數來控制角位移量或線位移量，從而達到準確定位的目的；通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度，從而達到調速的目的。

驅動器細分為10，則設定DIP1=OFF、DIP2=OFF、DIP3=OFF、DIP4=ON，輸出相電流為3.0A，則設定DIP6=OFF、DIP7=OFF、DIP8=ON。

2S86Q-03080型步進電機的步進角是1.8°，而驅動器細分為10，于是每來一個脈沖，步進電機旋轉的角度為0.18°，旋轉一圈就需要2000個脈沖。

旋轉角=步進角/細分數=1.8°/10=0.18°

旋轉一圈脈沖數=2π旋轉角=360°0.18°=2000

PWM輸出周期=轉一圈所需時間/轉一圈所需脈沖數

所以本步進電機正轉時的PWM輸出周期=2500us/脈沖，反轉時的PWM輸出周期=5000us/脈沖。

使用PWM控制步進電機時必須使用晶體管輸出型CPU，于是控制器選用S7-200 Smart，采用開關量控制，輸入量有正轉啟動（I0.0）、反轉啟動（I0.3）和停止（I0.1），共3個輸入點；輸出量包括脈沖輸出端（Q0.0）、方向控制端（Q0.4），共2個輸出點?？刂圃砣鐖D1所示，圖中2k電阻是限流電阻，S7-200 Smart PLC的工作電源是直流24V。

圖1 步進電機控制原理

3 PWM向導控制的設定

S7-200 Smart每個向導均顯示一個樹結構，對于每個向導，都必須完成全部所需組態并生成代碼，成功生成代碼后，向導將程序塊存儲在項目樹中“程序塊”（Program Blocks）文件夾內的“向導”（Wizards）文件夾下。同樣，向導將數據塊存儲在項目樹中“數據塊”（Data Block）文件夾內的“向導”（Wizards）文件夾下，將符號存儲在“符號表”（Symbol Table）文件夾內的“向導”（Wizards）文件夾下。

打開PWM向導有兩種方法：①在“工具”（Tools）菜單功能區的“向導”（Wizards）區域單擊“PWM” 按鈕；②在項目樹中打開“向導”（Wizards）文件夾，然后雙擊“PWM”或選中“PWM”并按 Enter 鍵。

PWM向導根據輸入生成一個指令，然后可將該指令放置到程序中以控制脈寬調制（PWM）輸出的占空比，PWM向導的脈沖輸出端是固定的也是可選的，脈沖輸出端可以選用Q0.0、Q0.1和Q0.3，本控制選用Q0.0作為脈沖輸出端，所以選擇要組態的脈沖“PWM0”。為了計算出的輸出周期和占空比都為整數，輸出時基選擇“微秒”，設定完成后會自動生成PWMx_RUN 子例程。

3.1 PWMx_RUN 子例程介紹

PWMx_RUN 子例程PWM提供了占空比可變的連續輸出，允許用戶通過改變脈沖寬度（從0到周期時間的脈沖寬度）來控制輸出占空比。PWMx_RUN指令的框圖如圖2所示。

圖2 PWMx_RUN指令框

EN使能端，一般直接接SM0.0。RUN運行端，使輸出產生開和關的作用。若RUN的觸發端接通，則PWMx_RUN指令有輸出。注意：不等于不管就是關。 Cycle 輸入是一個字值，定義脈寬調制（PWM）輸出的周期。如果時基為毫秒，則允許的范圍為2～65535；如果時基為微秒，則允許的范圍為10～65535。

Pulse 輸入是一個字值，用于定義 PWM 輸出的脈寬（占空比）。允許的取值范圍為 0～65535 個時基單元，時基是在向導中指定的，單位為微秒或毫秒。

Error 是 PWMx_RUN 子例程返回的字節值，用于指示執行結果。“0”代表無錯誤，正常完成；“131”代表脈沖發生器已由另一個 PWM 或運動軸使用，或者時基變化非法。

3.2 使用PWMx_RUN 子例程注意事項

（1）為了便于程序編寫EN使能端最好接SM0.0，當PWMx_RUN 正在輸出的時候斷開EN就沒法停下來了，EN是產生控制的作用。

（2）Cycle、Pulse的數據類型是字，操作數只能使用IW、QW、VW、MW、SMW、SW、T、C、LW、AC、AIW、*VD、*AC、*LD、常數。

（3）PWM支持的最大脈沖速率為 100kHz。

（4）要改變步進電機的轉速只需改變輸出周期和占空比，占空比一般都設為50%，使發出的脈沖為方波。

（5）要使步進電機停止就需要斷開RUN運行端。

（6）PWM控制步進電機按照預設要求自行停止比較困難和麻煩。

4 控制程序

Q0.4控制步進電機的方向（DIR端口），Q0.4沒有輸出和有輸出分別代表兩種方向。參考程序如圖3所示。

Always_On代表SM0.0，它始終為常閉觸點。當V0.0有輸出時，步進電機以400個脈沖/s的速度旋轉；當V0.1有輸出時，步進電機以200個脈沖/s的速度旋轉。

圖3 步進電機控制程序

參考文獻：

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[2]張揚.S7-200PLC原理與應用系統設計[M].北京：機械工業出版社，2007.