适用PLC使用的步进电机控制驱动器

    传统上，在用PLC 控制步进电机时，通常在PLC中附加一块专用的步进电机控制智能模块，再与驱动电源相连接实现控制功能。在市场上，一片PLC的价格在2000 元左右，而一块控制智能模块也值2000 元，再加上驱动电源在1500 到2500 元左右，在一些小型控制中显得成本过高。本文介绍的一种控制驱动器产品，采用单片机内置式控制软件，接收PLC 的OC 门信息，将步进电机控制模块与驱动电源合二为一，省去了步进电机控制智能模块，使成本大为降低。该驱动器适用于各种二相、小于3A 的步进电机。

    一、系统硬件

    本系统采用软件环分驱动，大量工作由软件完成。硬件电路十分简单。如图1所示。

图1 控制驱动器线路简图

    图2所示，同PLC 配合闭环控制步进电机，是该驱动器的一种典型应用。

图2 系统硬件

    二、系统工作原理

    众所周知，普通的PLC 可编程控制器，输入为OC 门或继电器，很少有高速脉冲输出口，但一般有脉冲计数输入接口。我们利用这一特征点，通过以下配置可方便的完成机械运动的过程或位置控制。

    在机械运动机构上安装过程控制使用的长光栅，并在运动机构一端设定限位开关为机械原点(可用光电、霍尔元件) ，远离限位开关为步进电机运行的正方向。当步进电机通电后，首先向机械原点运行，当碰到限位开关时， PLC 内部的计数器自动清零。如我们要进行机械运动的过程控制，通过光栅与步进电机带动的机械部件相连，确定步进电机与光栅的脉冲当量值之后，即可在PLC可编程控制器上编程实现高速高效的过程控制了。例如：步进电机的脉冲当量为01001mm ，与之配合的光栅反馈脉冲也选配输出每个脉冲为01001mm ，这样步进电机每走一步，光栅反馈一次信号到PLC内，计数器则加(或减)一。

    由于该步进电机控制驱动器有7种速度可选，在不同的运动情况下选不同的速度，当运行到确定的位置后，停止步进电机即可。同时，控制驱动器内还自带升降频控制、整步/细分切换等功能，所以PLC 的控制使用十分方便。

    三、系统软件

    该系统的核心是单片机软件部分。

    软件由以下几个主要模块组成。如图3所示。

图3 控制软件模块

    初始化模块：清理程序中所需的标志位，判断是否需要启动电机并复位电机。

    输入模块：CPU接收来自INT1到INT4的电平信号。其中INT1到INT3的各种不同组合用以选择7种常用频率来驱动电机，参见表1。INT4 决定运动方向(1表示正转，0表示反转) 。

表1 编码信息与频率关系

    升降频模块：此模块包括升降频数据表和查询数据表并给计数器T0 赋值两个子模块。它保证在两种频率之间切换时平稳圆滑过渡且不失步。程序在升降频过程中，涉及到“最优化升降频曲线”如图4 所示，这条曲线的方程由电机参数决定。详细说明查阅其他资料。在处理这条曲线时，由时间t 每递增△t 所对应的频率f 构成一张表，并对应生成一页MCS - 51 汇编语言数据表(计时器T0 的初值) ，以查询数据表的方式来拟合这条曲线，实现优化升降频过程。

图4 升降频曲线

    整步/ 细分切换模块：程序确定将七种常用频率以细分形式驱动电机，以满足电机处以不同工作状态时的不同需要；并将最高频率设置成以整步驱动电机，使电机能高速空走。本模块负责完成从整步到细分、从细分到整步的切换。

    输出模块：此模块包括脉冲环分和环分脉冲输出(T0 中断完成) 两个子模块。本系统按二相二十拍编写程序。改变此模块可以广泛适用于二相各拍步进电机。

    四、总结

    同传统驱动器相比，该控制驱动器以软件代替硬件步进电机控制器和硬件脉冲环分电路，结构简单，成本节约。采用闭环控制，根据位置传感器的不同种类和精度，可广泛适用于坐标测量仪、比长仪等各种不同精度的精密仪器和机床设备。

    参考文献

    [1] 张培仁，刘振安1MCS 单片机应用大全，科海培训中心.
    [2] 孙育才1MCS - 51 系列单片机原理及其应用1 南京工学院出版社.