引言

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構，主要優點是定位精度高、無位置累積誤差。并且與閉環控制系統相比，其特有的開環運行機制能夠降低系統的成本、提高系統的可靠性，因此被廣泛應用于對精度要求較高的運動控制系統中，如機器人、打印機、軟盤驅動器、繪圖儀和機械閥門控制器等。目前，能夠對步進電機進行控制的主要有由分散器件組成的環形脈沖分配器、軟件環形脈沖分配器和專用集成芯片環形脈沖分配器等。分散器件組成的環形脈沖分配器體積比較大、可靠性較低;軟件環形分配器運行速度低;專用集成芯片環形脈沖分配器集成度高、可靠性好，但適應性差、開發周期長、費用較高。

德國西門子公司的S7-200 是一種小型的可編程序控制器，其功能強大，無論在獨立運行中還是相連成網絡，皆能實現復雜控制功能，具有極高的性價比。本文利用S7-200作為核心控制器件，憑借其產生的脈沖和實時定位系統來實現步進電機的控制。該控制器不但可以改善步進電機在低速運行時振動大、噪聲大的缺點，而且可以克服步進電機在自然振蕩頻率附近運行時易產生共振、以及輸出轉矩隨著步進電機的轉速升高而下降等缺點，從而能夠顯著地提高步進電機的性能，拓寬步進電機的應用領域。

步進電機控制

步進電機是數字控制電機，它區別于其他類型的控制電機的最大特點是：通過輸入脈沖信號來進行控制，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，便驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”）。其旋轉是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可分為反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）和混合式步進電機（HB）。

步進電機的驅動電路根據控制信號進行工作，控制信號由相應的控制器來產生，控制換相順序和通電換相。這一過程稱為“脈沖分配”。例如：四相步進電機的單四拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C-D。通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A、B、C、D相的通斷，控制步進電機的轉向。如果給定工作方式正序換相通電，則步進電機正轉;如果按反序換相通電，則電機就反轉。步進電機接收到一個控制脈沖，便轉一步;再接收到一個脈沖，再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機轉得越快。調整控制器發出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。

控制系統完成的功能

步進電機的平穩起動、加速、減速和平穩停止

這是控制系統首先要實現的功能。S7-200中，支持高速輸出口PTO0/PTO1的線性加/減速，通過MicroWin向導程序，非常容易實現。實際上，以目前的情況，線性加/減速只能使用向導生成的程序，西門子沒有公開獨立可使用的指令。

定位控制功能

定位控制、調節和控制操作之間存在一些區別。步進電機不需要連續的位置控制，而在控制操作中得到廣泛應用［9］。借助于CPU214所產生的集成脈沖輸出和定位指令系統，確定相對一根軸的固定參考點，借助于一個輸入字節的對偶碼（Dual coding）給CPU指定定位角度，在程序中根據該碼計算出所需的定位步數，再由CPU輸出相關個數的控制脈沖，通過步進電機來實現相對的定位控制。

額定電流可調等角度恒力矩細分驅動方法的功能實現

步進電機的驅動方式有多種，如恒電壓、恒電流等多種形式。而這些方式都存在一定的缺陷，特別是在低速運行時的振動大、噪聲大和在步進電機自然振蕩頻率附近運行時易產生共振，且輸出轉矩隨著步進電機的轉速升高而下降等缺點。為了改變上述缺陷，本文采用了額定電流可調等角度恒力矩細分驅動方案。該方案最主要的優點是：步距角變小，分辨率高，提高了電機的定位精度、啟動性能和高頻輸出轉矩，減弱或消除了步進電機的低頻振動，降低了步進電機在共振區工作的幾率。一般細分驅動只改變相應繞組中電流的一部分，電動機的合成磁勢也只是旋轉步距角的一部分，繞組電流不是一個方波而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除，如圖1所示。

其合成的矢量幅值是不斷變化的，輸出力矩也跟著不斷變化，從而會引起滯后角的不斷變化。當細分數很大、微步距角非常小時，滯后角變化的差值已大于所要求細分的微步距角，使得細分失去了意義。據此分析，采用建立數學關系同時改變兩相電流，即Ia和Ib以某一數學關系同時變化，保證變化過程中合成矢量幅值始終不變。建立一種“額定電流可調的等角度恒力矩細分”驅動方法，以消除力距不斷變化引起滯后角的問題。這種合成矢量幅值保持不變的數學模型為：當 Ia=Imcosx，Ib=Imsinx時（式中Im為電流額定值，Ia、Ib為實際的相電流，x由細分數決定），其合成矢量始終為圓的半徑，即恒力距; 等角度是指合成的力臂每次旋轉的角度一樣;額定電流可調是指可滿足各種系列電機的要求;細分為對額定電流的細分（如圖2a和2b所示）。

控制器設計

通常情況下，步進電機驅動系統由控制電路、驅動電路和步進電機三部分構成，如圖3a所示。圖3b為步進電機驅動控制電路的硬件連接框圖。

圖中I1.0、I1.1和I1.5為輸入控制信號端;Q0.0和Q0.1為兩路高速脈沖，分別負責驅動電機開啟定位和停止控制。

控制電路

控制電路用于產生脈沖，以控制電機的速度和轉向［5］。本設計中采用SIMATIC S7-200 CPU-214 PLC［6］作為控制核心部件。S7-200PLC 的CPU214有兩個脈沖輸出，可以用來產生控制步進電機驅動器的脈沖，實現控制要求。S7-200CPU 含有高速脈沖輸出功能，CPU脈沖輸出頻率達20KHz~100KHz，可以用來驅動步進電機或伺服電機，并由電機直接驅動負載主軸旋轉，完成控制工藝所要求的動作。

驅動電路

驅動電路由脈沖信號分配和功率細分驅動電路組成。根據控制器輸入的脈沖和方向信號，為步進電機各繞組提供正確的通電順序，以及電機需要的高電壓、大電流;同時提供各種保護措施，如過流、過熱等保護［7］。功率驅動器將控制脈沖按照設定的模式轉換成步進電機線圈的電流，產生旋轉磁場，使得轉子只能按固定的步數來改變它的位置［6］。連續的脈沖序列產生與其對應同頻率的步序列。如果控制頻率足夠高，步進電機的轉動可看作連續的轉動。

步進電機

控制信號經驅動器放大后驅動步進電機，帶動負載［8］。用S7-200PLC Q0.0和Q0.1的輸出脈沖觸發步進電機驅動器。當輸入端I1.0發出“START”信號后，控制器將輸出固定數目的方波脈沖，使步進電機按對應的步數轉動;當輸入端I1.1 發出“STOP”信號后，步進電機停止轉動;接在輸入端I1.5的方向開關位置決定電機正轉或反轉。本設計采用帶有標準功率驅動器和相關連接電纜的步進電機。

各組成模塊的選擇和功能

由于“額定電流可調的等角度恒力矩細分”驅動方法的實質是恒流控制，其關鍵是電流的精確控制，本設計在器件選擇是同時兼顧以下各個條件：D/A 轉換器輸出的電流值與期望值相當接近，而且轉換速度要快;SPI口通信，頻率高達50 MHz，建立時間快，同時單電壓供電，連接簡單;檢測到的電流可正確地反映此時的相電流，采用的檢測方法為霍爾傳感器，該方法檢測準確、干擾小、連接也較簡單;比較器分辨率高、轉換速度快;控制功率管開關的邏輯電路有很高的實時性，保證相電流在設定電流上下做很小的波動，避免了引起浪涌而干擾控制電路。

S7-200根據收到的脈沖信號進行脈沖信號分配，確定各相通電順序，并與電流檢測模塊里的D觸發器相連。同時根據用戶設定的電流值和細分數通過SPI口與A/D轉換器通信，得到設定的電流值（實際上是電流對應的電壓值）。

A/D轉換器輸出的值為期望的電流對應的電壓值，它必須與從功率模塊檢測得到的電流對應的電壓值進行比較，并把比較結果與電流檢測模塊里面的D 觸發器相連。

電流檢測模塊主要由D觸發器進行邏輯控制。該模塊與電流、細分設定的撥碼開關相連，把得到的值通過SPI口傳給單片機。以D觸發器為核心的控制邏輯，根據單片機的各相通電順序和比較器的比較結果確定各功率管的開關。功率驅動模塊直接與電機相連，驅動電機?？刹捎?個MOS管IRF740構成2個 H橋雙極型驅動電路。

軟件設計

在程序的編制中，為使步進電機換向時平滑過渡，避免產生錯步，應在每一步中設置標志位［3］。在正轉時，不僅給正轉標志位賦值，也同時給反轉標志位賦值;在反轉時也需做如此處理。這樣，當步進電機換向時，以上一次的位置作為起點反向運動，避免了電機換向時產生錯步［10］。步進電機控制系統的軟件主要由主控程序、細分驅動程序、鍵處理程序、顯示數據處理及顯示驅動程序、通信監控程序等部分組成。細分驅動主控制程序控制整個程序的流程，主要完成程序的初始化、參考點的設置和取消、定位控制和電機的停止/啟動等。初始化。在程序的第一個掃描周期，初始化重要參數。選擇旋轉方向和解除聯鎖。

設置和取消參考點。如果還沒有確定參考點，那么參考點曲線應從按“START”按鈕（I1.0）開始。CPU有可能輸出最大數量的控制脈沖。在所需的參考點，按“設置/取消參考點”開關后，首先調用停止電機的子程序。然后，再把新的操作模式“定位控制激活”顯示在輸出端Q1.0。如果開關已激活，而且“定位控制”也被激活，則切換到“參考點曲線”，并取消“定位控制激活”（Q1.0=0）。此外，控制還為輸出最大數量的控制脈沖做準備。當再次激活開關，便在兩個模式之間切換。如果此信號產生的同時電機在運轉，那么電機就自動停止。

定位控制。如果確定了一個參考點，而且沒有聯鎖，那么就執行相對的定位控制，控制器從輸入字節讀出對偶碼方式的定位角度。與此角度有關的脈沖數，根據下面的公式計算：N=f/360o×S（式中N表示控制脈沖數，f表示旋轉角度，S表示每轉所需的步數）。

停止電機。按“STOP”（停止）按扭（I1.1），控制端Q0.0輸出結束脈沖，可在任何時候停止電機。

結語

采用本方案設計步進電機驅動系統，即基于S7-200采用額定電流可調等角度恒力矩細分的方法設計步進電機控制器，在驅動二相或四相混合式步進電機時運動平穩、運行速度快、噪音低、控制精度高，而且可選擇整步、半步驅動。經試驗，采用額定電流可調的等角度恒力矩細分型的驅動器，克服了傳統步進電機低速振動大和噪聲大的缺點，電機在較大速度范圍內轉矩保持恒定，提高了控制精度，減小了發生共振的幾率，具有很好的穩定性、可靠性和通用性，且結構簡單、性價比高。此外，在驅動電路中增加光電耦合電路，可進一步提高硬件系統的抗干擾能力，避免電機對數字電路的影響。

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