基于S7-200步进电机控制器的设计
（安阳工学院电子信息与电气工程系 河南安阳 455000）
摘 要：介绍了利用S7-200额定电流可调的等角度恒力矩细分实现步进电机控制器，改善了步进电机在低速运行时的振动、噪声大，在步进电机自然振荡频率附近运行时易产生共振，且输出转矩随着步进电机的转速升高而下降等缺点，显著地提高了步进电机的性能，使步进电机运动平稳，速度快，噪音低，控制精高。
关键词：S7-200 步进电机控制器 额定电流细分驱动 定位系统
Based on the S7-200 stepper motor controller design Qin chang-hai (Department of Electronic Information and Electrical Engineering, An yang Institute of Technology, An yang 455000, Henan)Abstract：Introduction how to use of S7-200 rated current adjustable in terms of implementation Constant torque Subdivision stepper motor controller. Improved stepper motor running at low speed vibration, big noise, stepper motor at the natural oscillation frequency near the run-time easy to produce resonance,and output torque stepper motor with higher speed drop and so on disadvantage. Significantly improve the performance of the stepper motor, So that a smooth stepper motor sports,fast,low noise，control precision hight.
Keywords：S7-200 Stepper motor controller Rated current-driven breakdown Positioning System
1.引 言
步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构。其主要优点是有较高的定位精度，无位置累积误差；特有的开环运行机制，与闭环控制系统相比降低了系统成本，提高了可靠性，广泛应用于对精度要求比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、机械阀门控制器等。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。分散器件组成的环形脉冲分配器体积比较大，同时由于分散器件的延时，其可靠性大大降低;软件环形分配器要占用主机的运行时间，降低了速度;专用集成芯片环形脉冲分配器集成度高、可靠性好，但其适应性受到限制，同时开发周期长、需求费用较高。本文介绍利用德国西门子公司的S7-200作为核心控制器件，产生的脉冲和实时的定位系统，实现步进电机控制。该控制器可以改善步进电机在低速运行时的振动、噪声大，在步进电机自然振荡频率附近运行时易产生共振，且输出转矩随着步进电机的转速升高而下降等缺点，显著提高了步进电机的性能，拓宽了步进电机的应用领域。
2 步进电机的控制原理
步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合对数字系统的控制，利用PLC控制非常简便。步进电机可分为反应式步进电机（简称“VR”）、永磁式步进电机（简称“PM”）和混合式步进电机（简称“HB”）。
步进电机区别于其他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，而电机的转速由脉冲信号频率决定。
步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由各类控制器来产生。其基本原理如下：
控制换相顺序，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。
控制步进电机的速度。如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整控制器发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
3 控制器的总体设计
通常情况下，步进电机驱动系统由控制电路、驱动电路、步进电机三部分构成，如由图1所示。
3.1 控制电路。用于产生脉冲，控制电机的速度和转向。本设计中采用SIMATIC S7-200 CPU-214 PLC作为控制核心部件。S7-200PLC的CPU214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，S7-200PLC完全能够实现控制要求。S7-200CPU本体已含有高速脉冲输出功能，CPU脉冲输出频率达20KHz-100 KHz，可以用来驱动步进电机或伺服电机，再由电机直接驱动负载主轴旋转，完成控制工艺所要求的动作。
3.2 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。
3.3 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。用S7-200PLC的Q0.0的输出脉冲触发步进电机驱动器。当输入端I1.0发出"START"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。本设计中采用带有标准的功率驱动器和相关连接电缆的步进电机。
4 控制系统完成的功能
4.1 控制系统首先要实现的功能，是步进电机的平稳起动、加速、减速、平稳停止。在S7-200中，支持高速输出口PTO0/PTO1的线性加/减速，通过MicroWin的向导程序，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，Siemens没有公开独立可使用的指令。
4.2 定位控制功能 关于定位控制、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应用。在以下的程序中，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(Duul 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，再有CP U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
4.3额定电流可调等角度恒力矩细分”驱动方法的功能实现
对于步进电机的驱动方式有多种，如恒电压、恒电流等多种形式，而这些方式都存在一定的缺陷，特别是在低速运行时的振动、噪声大和在步进电机自然振荡频率附近运行时易产生共振，且输出转矩随着步进电机的转速升高而下降等缺点，为了改变上述缺陷在本设计采用额定电流可调等角度恒力矩细分驱动方式。额定电流可调等角度恒力矩细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率高，提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低了步进电机在共振区工作的几率。一般细分驱动只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只是旋转步距角的一部分，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，如图2所示。
其合成的矢量幅值是不断变化的，输出力矩也跟着不断变化，从而会引起滞后角的不断变化。当细分数很大、微步距角非常小时，滞后角变化的差值已大于所要求细分的微步距角，使得细分失去了意义。据此分析，采用建立数学关系同时改变两相电流，即Ia、Ib以某一数学关系同时变化，保证变化过程中合成矢量幅值始终不变。建立一种“额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法，以消除力距不断变化引起滞后角的问题。随着A、B两相相电流Ia、Ib的合成矢量角度不断变化，其幅值始终为圆的半径。如图3、图4所示。
5、软件设计
在程序的编制中，为使步进电机在换向时能平滑过渡，不至于产生错步，应在每一步中设置标志位。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;在反转时也如此。这样，当步进电机换向时，就可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。其程序流程框图如图5所示。
6,结束语
S7-200是一款是非常优秀的微型控制器，许多功能进行深入研究之后可以做到灵活应用，拓宽其在小型控制领域的应用范围，同时保持较低的应用成本。采用此设计的步进电机驱动系统，在驱动二相或四相混合式步进电机时运动平稳，速度快，噪音低，控制精度高，而且可选整步半步驱动。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，基本上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。
参考资料：http://www.baidu.com/s?tn=baiduadv&bs=%BF%B9%BB%CE%B5%E7&f=8&wd=liuliwen.gkbk.com%2F