探讨采用可编程逻辑器件（单片机和PLC）进行步进电机的控制

步进电机的构造及控制技术解析赵国政（国家广电总局654台新疆昌吉831100）摘要：步进电机用于将电脉冲信号转换为角位移或线位移进行操作，已广泛应用于各个领域。在简要介绍步进电机的定义、分类基础上，详述步进电机的构造及其工作原理，进一步探讨采用可编程逻辑器件（单片机和PLC）进行步进电机的控制，希望能够给各同行以借鉴。关键词：分类；构造；单片机；PLC中图分类号：TP2文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0120038－020引言1.2步进电机的分类目前，通常使用的步进电机主要包括永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机根据电磁学原理，把电能转换为机械能。自从20世纪20年代步进电机（HB）、反应式步进电机（VR）和单相式步进电机。开始，步进电机就得到了应用。随着微电子技术的发展，在工业、医疗、对于永磁式步进电机，采用磁性转子铁芯，同时钉子产生脉冲电磁汽车、军事和娱乐等行业，通常情况下需要把物体进行移动，都需要使用场，二者相互作用产生转动。通常情况下为两相，体积比较小，转矩也比步进电机（例如机械手臂、打印机、玩具和磁盘驱动器）。较小，步进角为7.5度或者15度。对于转子和定子，二者任意一个为线1步进电机的构造圈、一个为永磁铁，主要应用于数控机床、摄影系统、阀门控制、医疗设1.1步进电机简介备等领域。如图1所示，步进电机用于把电脉冲信号转换为线位移或者角位移的开对于反应式步进电机，作为一种传统步进电机，采用磁性转子铁芯，环控制元步进电机。如果电机没有超载时，当一个电脉冲信号发送至步进电同时钉子产生的脉冲电磁场，二者相互作用产生转动。由于转子上均匀分机的驱动器时，按照预先设定的方向，驱动器就可以驱动步进电机按照设置布着很的方向进行转动，以此类推，步进电机就可以按照固定的角度进行运行。步进电机的驱动器电脉冲信号的脉冲数、频率决定了步进电机的转动速度和停止的位置。该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。该系统与闭合系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。还有电机中有一类为半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国SIEMENS公司、日本FANUC公司；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。图1步进电机多小尺，定子尺有三个励磁绕阻，方向由导电顺序决定。通常有二、三、四、五相相，广泛应用于阀门控制、银行终端、核反应堆领域。对于混合式步进电机，结合了永磁式、反应式步进电机的优点，通常情况下分为两相和五相，对于两相混合式步进电机，一般步进角为1.8度；对于五相混合式步进电机，一般步进角为0.72度，这种步进电机被广泛使用。1.3步进电机的构造如图2所示，步进电机通常由转子和定子两部分构成。其中，转子包括转子1、转子2和永久磁钢。在朝轴的一侧方向，转子已经被磁化，当转子1为S极时，转子2为N极；定子为有着小齿状的磁极，对于5相步进电机，共有10个，并且都绕着线圈。当接通电流时，线圈就会被磁化为同一极性，1个相由对角线的两个磁极构成，因此有A、B、C、D和E5个相位。同时，转子的外圈包括50个小齿，转子1和转子2的小齿互相错开1/2螺距，因此形成100个小齿。图2步进电机构造2步进电机的工作原理本文以三相反应式步进电机为例，说明其工作原理。如图3所示，电机转子以0、1/3て、2/3て角度进行旋转。换言之，如A相通电，B、C相不通电时，在磁场作用下，当A与齿1对齐时；如B相通电，A、C相不通电时，B与齿2对齐，但是转子向右移过1/3て，C与齿3偏238移为1/3て，A'与齿4偏移为2/3て；如C相通电，A、B相不通电时，C与齿3对齐，转子重新向右偏移1/3て，如此循环，经过A、B、C和A分别通电，A又与齿1对齐，完成整个电机的转动。SUBBA,#MinSpdMOVDPTR,#DjLMOVCA,@A+DPTRMOVTL1,AMOVA,DjCountMOVA,DjCountJNBACC.7,d_Next13.2PLC控制图3相与齿的相互关系PLC采用了计算机的结构，主要包括输入输出电路、CPU、存储单元在通电过程中，定子和转子相互作用产生的磁场，其磁通量为Ф；而等，外部的各种传感器信号、开关信号等输入至PLC，PLC首先对该数据进当转子和定子由于发生角度θ的偏移，产生力F与dФ/dθ成正比。行存储，随后进行各种运算，输出至步进电机进行各种控制。采用直流或Ф=Br*S可知Br=N·I/RN·I。交流伺服电机驱动的半闭环控制，其性能介于开环和闭环之间。由于调速其中，S为导磁面积，Br为磁密，N-1为励磁绕阻安匝数，R为磁阻。范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电机驱动的开环控制。由于反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简3步进电机的控制单，系统和稳定性较易保证。所以比闭环容易实现。但是，采用半闭环控如图4所示，通常情况下对于步进电机的控制，脉冲信号的产生作为制，调试比开环复杂，设计上也要有其特点，技术难度大。本设计要求不控制步进电机的核心部分，一般由单片机和PLC进行控制产生脉冲信号，高，为经济型数控改造，通常情况下均采用以步进电机驱动的开环控制。以下部分逐一进行叙述。开环控制具有结构简单，设计制造容易，控制精度较好，易调试，价格便宜，使用维修方便等优点。缺点是步进电机没有过载能力启动频率低，工作频率也不高等。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济数控设备中。松下公司的FP1性价比非常高，广泛应用于各种步进电机的控制。如图5所示，首先PLC将DT9044进行清零操作，目的是为了HSC进行计图4步进电机的控制数准备，参数K0作为PULSE方式的特征值；第二句至第五句用于建立参数3.1单片机控制表，各种参数存放于以DT20为首地址的寄存器中，其中参数K70，对应本次单片机控制以实际使用的35BY型永磁步进电动机为例。当开机以500HZ脉冲频率；K1000对应7KHZ脉冲频率；最后一句作为启动操作，执行后，步进电机不能转动；只有当按下启动键后，步进电机才能够进行旋DT20的控制，即首先发出频率为500HZ的脉冲，当发送脉冲次数达到转，并且转速为25转/分；当按下加1键后，速度增加；反之按减1键，速1000时，电机停止转动。度降低。对于速度的控制，速度在25～100转/分之间。当停止键被按下时，步进电机停止转动，同时，速度值显示于数码管上。通过分析，可以发现本次设计主要包括步进电机驱动程序、按键程序和显示程序。对于主程序，主要用于初始化各变量，消除显示器的显示，同时对于步进电机的输出，设置为高电平，具体实现代码如下：MOVSP,#5FHMOVP1,#0FFH图5控制梯形图MOVA,#Hidden4小结MOVSPEED,#MinSpd;CLRStartEnd;随着计算机技术和电子技术的迅猛发展，步进电机作为机电一体化的MOVTMOD,#00010001B;关键产品，在国民经济的各个领域广泛使用；通过采用可编程控制器控制MOVTH0,#HIGH(65536-3000)步进电机的速度和位置，操作简单可靠，适合完成各种复杂的工作，进一MOVTL0,#LOW(65536-3000)步加速了机电一体化的实现。SETBET0SETBET1参考文献：定时器T1的中断服务程序用于驱动步进电机的工作。当定时器时间到[1]张同祥、曲波，步进电机控制器的设计[J].电工电气.2010，11.达，P1.0～P1.3依次接通。当定时器第一次进入中断后，对累加器进行累[2]吕世良、刘金国、王晓茜、周怀德，基于80C86步进电机控制系统设计加，然后与P1.0进行与运算，使得P1.4输出低电平；当定时器第二次进入与实现[J].知识经济，2010，22.中断后，首先进行取反操作，然后与P1.4进行或运算，使得P1.4输出变为[3]王雁平，步进电机定位控制系统的设计[J].现代电子技术，2010，18.高电平，即关断相应的线圈。如此反复，对P1.4～P1.7进行控制，得到整[4]黄勤兵、周桂耀、王京京、张巧云、牛改霞，基于嵌入式ARMLinux步个步进电机的控制，具体实现代码如下：进电机驱动程序的设计[J].电子技术，2010（07）.PUSHACC[5]徐熙平、崔京殊、王曦泽，基于AT89S52的42M-1.8D步进电机自动控制PUSHPSW系统设计[J].长春理工大学学报（自然科学版），2010（02）.MOVA,SpeedSUBBA,#MinSpd;MOVDPTR,#DjH作者简介：MOVA,Speed赵国政（1974-），男，新疆昌吉，本科，工程师，国家广电总局654台。4改进和展望RS232接口进行串行通信，将所有的设备的报警信号集中到同一地方，甚至可以和电脑进行串行通信，记录报警和停机的具体时间，从而为生产提本次报警盒的设计采用了89CS52单片机为控制核心，在后续的改进供更准确的设备停机和报警的相关数据。中，如果生产实际的需要，可以将同一车间的多个该型报警盒通过139（上接第66页）