步進(jìn)電機(jī)的PWM控制

馬天才　鮑小春

摘 要：隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用，所以步進(jìn)電機(jī)的控制就顯得尤為重要。本文介紹了PWM向?qū)Э刂频脑O(shè)定方法，并闡述利用PWM實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；PWM；控制

步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用，所以步進(jìn)電機(jī)的控制就顯得尤為重要。步進(jìn)電機(jī)的控制方法有很多種，比如PLS控制、運(yùn)動(dòng)向?qū)Э刂频龋诒姸嗫刂浦校琍WM控制具有它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

一、控制要求

步進(jìn)電機(jī)選用KINCO公司的2S86Q-03080兩相雙極微步型電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器選用KINCO-2M530。設(shè)置驅(qū)動(dòng)器細(xì)分為10，輸出相電流為3.0A。

按下正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕，步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)一圈用時(shí)5秒，按下反轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)一圈用時(shí)10秒，并且步進(jìn)電機(jī)在任何時(shí)刻都能夠從正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)或從反轉(zhuǎn)變?yōu)檎D(zhuǎn)，按下停止按鈕，步進(jìn)電機(jī)停止。

二、控制方案

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）。通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量或線位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

驅(qū)動(dòng)器細(xì)分為10，則設(shè)定DIP1=OFF、DIP2=OFF、DIP3=OFF、DIP4=ON，輸出相電流為3.0A，則設(shè)定DIP6=OFF、DIP7=OFF、DIP8=ON。

2S86Q-03080型步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角是1.8°，而驅(qū)動(dòng)器細(xì)分為10，于是每來一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度為0.18°，旋轉(zhuǎn)一圈就需要2000個(gè)脈沖。

旋轉(zhuǎn)角=步進(jìn)角/細(xì)分?jǐn)?shù)=1.8°/10=0.18°

旋轉(zhuǎn)一圈脈沖數(shù)=2∏/旋轉(zhuǎn)角=360°/0.18°=2000

PWM輸出周期=轉(zhuǎn)一圈所需時(shí)間/轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)

所以本步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的PWM輸出周期=2500us/脈沖，反轉(zhuǎn)時(shí)的PWM輸出周期=5000us/脈沖。

使用PWM控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)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(guān)量控制，輸入量有正轉(zhuǎn)啟動(dòng)（I0.0）、反轉(zhuǎn)啟動(dòng)（I0.3）和停止（I0.1），共3個(gè)輸入點(diǎn)；輸出量包括脈沖輸出端（Q0.0）、方向控制端（Q0.4），共2個(gè)輸出點(diǎn)。控制原理圖如圖1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。

三、PWM向?qū)Э刂频脑O(shè)定

S7-200 Smart每個(gè)向?qū)Ь@示一個(gè)樹結(jié)構(gòu)，對(duì)于每個(gè)向?qū)В急仨毻瓿扇克杞M態(tài)并生成代碼，成功生成代碼后，向?qū)⒊绦驂K存儲(chǔ)在項(xiàng)目樹中“程序塊”（Program blocks）文件夾內(nèi)的“向?qū)А保╓izards）文件夾下。同樣，向?qū)?shù)據(jù)塊存儲(chǔ)在項(xiàng)目樹中“數(shù)據(jù)塊”（Data Block）文件夾內(nèi)的“向?qū)А保╓izards）文件夾下，將符號(hào)存儲(chǔ)在“符號(hào)表”（Symbol Table）文件夾內(nèi)的“向?qū)А保╓izards）文件夾下。成功生成程序塊后，可以再主程序或另一個(gè)子例程或中斷調(diào)用向?qū)傻淖永獭?/p>

打開PWM向?qū)в袃煞N方法：①在“工具”（Tools）菜單功能區(qū)的“向?qū)А保╓izards）區(qū)域單擊“PWM”按鈕；②在項(xiàng)目樹中打開“向?qū)А保╓izards）文件夾，然后雙擊“PWM”或選中“PWM”并按Enter鍵。

PWM向?qū)Ц鶕?jù)輸入生成一個(gè)指令，然后可將該指令放置到程序中以控制脈寬調(diào)制（PWM）輸出的占空比，PWM向?qū)У拿}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(tài)的脈沖“PWM0”。為了計(jì)算相出的輸出周期和占空比都為整數(shù)，輸出時(shí)基選擇“微秒”，設(shè)定完成后會(huì)自動(dòng)生成PWMx_RUN子例程。

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(xù)輸出，允許用戶通過改變脈沖寬度（從0到周期時(shí)間的脈沖寬度）來控制輸出占空比。PWMx_RUN指令的梯形圖如圖2所示：

EN使能端，一般直接接SM0.0。

RUN運(yùn)行端，使輸出產(chǎn)生開和關(guān)的作用。若RUN的觸發(fā)端接通，則PWMx_RUN指令有輸出，注意關(guān)不等于不管就是關(guān)。

Cycle輸入是一個(gè)字值，定義脈寬調(diào)制（PWM）輸出的周期。如果時(shí)基為毫秒，則允許的范圍為2～65535；如果時(shí)基為微秒，則允許的范圍為10～65535。

Pulse輸入是一個(gè)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(gè)時(shí)基單元，時(shí)基是在向?qū)е兄付ǖ模瑔挝粸槲⒚牖蚝撩搿?/p>

Error是PWMx_RUN子例程返回的字節(jié)值，用于指示執(zhí)行結(jié)果。“0”代表無錯(cuò)誤，正常完成；“131”代表沖發(fā)生器已由另一個(gè)PWM或運(yùn)動(dòng)軸使用，或者時(shí)基變化非法。

2.使用PWMx_RUN子例程注意事項(xiàng)

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

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

（3）PWM支持的最大脈沖速率為100k Hz。

（4）要改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速只需改變輸出周期和占空比，占空比一般都設(shè)為50%，使發(fā)出的脈沖為方波。

（5）要使步進(jìn)電機(jī)停止就需要斷開RUN運(yùn)行端。

（6）PWM控制步進(jìn)電機(jī)按照預(yù)設(shè)要求自行停止比較空難和麻煩。比如步進(jìn)電機(jī)以60個(gè)脈沖/s的速度旋轉(zhuǎn)2圈自行停止，用定時(shí)器控制實(shí)現(xiàn)非常不精確，用高速計(jì)數(shù)器控制又比較麻煩。

四、結(jié)束語

PWM向?qū)Э刂撇竭M(jìn)電機(jī)具有思路清晰、操作簡單、初學(xué)者易學(xué)等特點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，步進(jìn)電機(jī)具有良好的穩(wěn)定性，可以滿足一般工業(yè)控制要求。

作者簡介：

馬天才，男，長期從事于工業(yè)電氣控制和電機(jī)控制的研究工作。

鮑小春，男，主要從事于機(jī)械檢修與機(jī)電一體化設(shè)備控制的研究工作。