劉正宇

（安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

步進電機是一種把脈沖信號轉(zhuǎn)變成直線位移或角位移的機械設(shè)備[1]，具有定位精確、響應(yīng)快等優(yōu)點。面對各行業(yè)對步進電機控制越來越高的要求，提高其控制精度已刻不容緩。在步進電機控制方面的研究論述有很多，例如，文獻[2]設(shè)計了一種采用單片機控制步進電機的控制系統(tǒng)；文獻[3]提出了一種利用協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（Coordinated Control System，CCS） 開發(fā)環(huán)境，運用自動化理論，采用數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP） 的控制方法。

為了改進原有的步進電機控制技術(shù)，本文以三菱可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 為控制核心，通過具體的實例，應(yīng)用編碼器的檢測效果，設(shè)計實現(xiàn)了完整的步進電機運動的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1 步進電機運動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及控制設(shè)計

1.1 步進電機運動系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要實現(xiàn)滑臺定時、定長、定速的水平往復(fù)移動的目標(biāo)，從而要求滑臺水平往復(fù)移動距離l=60 mm，移動速度v=1 mm/s。它主要由步進電機、減速器、滑臺模組、編碼器、聯(lián)軸器、穩(wěn)定軸承等部分組成，運動系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。經(jīng)過對參數(shù)的比較以及對成本的考慮，選擇了性價比最高的硬件設(shè)備，步進電機選擇為86 步進電機，減速器減速比i=100∶1，滑臺模組導(dǎo)程P=10 mm/r，編碼器為歐姆龍旋轉(zhuǎn)增量編碼器E6B2-CWZ6C，線數(shù)為2000P/R，控制器為三菱FX-3U 系列PLC。

圖1 運動系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 步進電機控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)主要由PLC 控制模塊、步進驅(qū)動模塊、編碼器反饋模塊、電源模塊以及相關(guān)電路組成，總體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。其中編碼器反饋模塊的應(yīng)用是實現(xiàn)反饋控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.3 步進電機控制設(shè)計

步進電機是通過步進驅(qū)動器來驅(qū)動的，它的控制方式分為閉環(huán)控制和開環(huán)控制[4]。開環(huán)控制是由步進驅(qū)動器直接發(fā)出脈沖方向和使能給步進電機，讓轉(zhuǎn)子按照接收的脈沖信號實現(xiàn)相應(yīng)規(guī)律的轉(zhuǎn)動，其間并無反饋存在。這種控制系統(tǒng)并不能保證步進電機運動的精確性，對提高步進電機的控制存在缺陷。閉環(huán)控制是在驅(qū)動電機的同時，加上檢測裝置進行直接跟蹤或間接跟蹤，把檢測信號發(fā)送給“中央處理器”——PLC，通過PLC 內(nèi)部數(shù)據(jù)計算反饋處理后，可以確定步進電機的位置及轉(zhuǎn)速，若有出入，可以及時糾正，從而達到反饋效果。這種控制系統(tǒng)對提高步進電機的控制有很大的應(yīng)用意義[5]。

步進電機控制原理：PLC 發(fā)出脈沖及方向（信號通斷） 控制步進驅(qū)動器，步進驅(qū)動器通過A、B兩相信號控制步進電機正反轉(zhuǎn)及定位。一般來說，步進驅(qū)動器給步進電機的步距角為1.8°，其中步距角指的是驅(qū)動器給步進電機一個脈沖信號，步進電機走一步的距離所對應(yīng)的角度，因此步進電機轉(zhuǎn)一圈360°需要的脈沖信號數(shù)量m 為200 個。步進電機控制使用的是脈沖輸出PLSY 指令，見圖3。圖3中，S1-中的內(nèi)容是指定頻率，可以更改字軟元件的內(nèi)容，輸出頻率也會隨之改變；S2-中的內(nèi)容是指定產(chǎn)生脈沖量，若該值為0 時，則對此產(chǎn)生的脈沖不做限制；D-中的內(nèi)容是脈沖輸出點。設(shè)定脈沖發(fā)完以后，執(zhí)行結(jié)束標(biāo)志M8029 動作，接通一個上升沿，完成周期控制。

圖3 脈沖輸出PLSY 指令梯形圖

2 采用編碼器的反饋系統(tǒng)設(shè)計

2.1 編碼器原理

編碼器是一種將信號或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可以用來識別、便于傳輸和存儲的信號形式的裝置[6]。作為檢測機械運動的一種特殊傳感器，它不僅有著精確度高、工作可靠性強等優(yōu)點，還有著廣泛的應(yīng)用，比如檢測方向、距離、角度等。

編碼器作為一種檢測傳感器，它一般通過聯(lián)軸器連接在電機軸上，通過電機軸帶動它轉(zhuǎn)動，電機軸轉(zhuǎn)動一圈，編碼器就轉(zhuǎn)動一圈。編碼器原理見圖4，編碼器內(nèi)部有一個固定在軸上的旋轉(zhuǎn)盤，盤上有許多小孔，內(nèi)部光源通過透鏡穩(wěn)定透過旋轉(zhuǎn)盤上的小孔，抵達固定光柵上面。固定光柵下方有受光元件，受光元件產(chǎn)生電信號，經(jīng)過波形整形電路后的輸出信號有A、B 兩相，相位差為90°，輸出信號傳輸給PLC，通過高速計數(shù)器記錄單位時間內(nèi)光透過小孔的個數(shù)，完成計數(shù)工作。

圖4 編碼器原理示意圖

圖5 為編碼器實物圖。需注意的是，由圖5 可見，編碼器有6 根線，其中A 相線和B 相線在實物接線時需要謹慎，如果只接A、B 中任何一根線，高速計數(shù)器只能記錄光透過小孔的個數(shù)；如果A、B 兩根線都接，不僅可以記錄個數(shù)，還可以判斷電機動作方向，但是要求A 相線接X0，B 相線接X1；如果接反了，就會和電機動作方向剛好相反，這是由三菱FX-3U 系列PLC 的特殊性所決定的。

圖5 編碼器實物圖

2.2 反饋系統(tǒng)設(shè)計

本文采用負反饋機制的閉環(huán)控制思想，在整個反饋系統(tǒng)中，由編碼器對步進電機運動狀態(tài)進行跟蹤檢測，檢測到的信號輸出給PLC，通過PLC 對信號的分析計算并即時調(diào)整控制信號反饋給步進電機，從而實現(xiàn)對步進電機轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)速及位移的準(zhǔn)確控制。

高速計數(shù)器在計數(shù)時，采用的是2 相2 計數(shù)，即C251 對應(yīng)的高速計數(shù)點為X0 和X1，其中A 相對應(yīng)X0，B 相對應(yīng)X1。計數(shù)值的加減需要加入特殊中間輔助繼電器， 計數(shù)方向是根據(jù)M8235~M8245 的啟動與否，對應(yīng)的C235~C245 做相應(yīng)的增減計數(shù)。其中A、B 相之間存在90°相位差，根據(jù)信號的先后通斷，來判斷順時針轉(zhuǎn)動是加計數(shù)還是減計數(shù)。

編碼器在檢測速度信號時，使用的是脈沖密度SPD 指令，見圖6。脈沖密度SPD 指令指的是高速計數(shù)器在單位時間內(nèi)計數(shù)的個數(shù)，把S1-中的設(shè)定輸入脈沖在S2-中的設(shè)定單位時間（單位為ms） 內(nèi)計數(shù)，把記錄結(jié)果存儲在D-中。例如X0 為高速計數(shù)點，K100 為計數(shù)時間100 ms，D0 為寄存器，用來存儲記錄的數(shù)據(jù)。

圖6 脈沖密度SPD 指令梯形圖

在實際檢測過程中，計算編碼器轉(zhuǎn)動圈數(shù)時，期望圈數(shù)值為小數(shù)，為了保持數(shù)據(jù)類型統(tǒng)一，需要對C235 進行整數(shù)向浮點數(shù)的轉(zhuǎn)換，需要浮點化，即采用FLT 指令?？紤]到儲存值會大，可以采用32 位寄存器，占用兩個寄存器，即采用DFLT 指令。當(dāng)然最后的計算結(jié)果有時候需要整數(shù)化，即采用INT 指令或DINT 指令，同時也會用到四則運算，比如浮點數(shù)乘法指令EMUL 或DEMUL、除法指令EDIV 或DEDIV 等簡單基礎(chǔ)指令。在確定步進電機的位移時，編碼器線數(shù)為2000P/R，電機軸半徑R=25 mm，減速器減速比i=100∶1，計算可得到編碼器轉(zhuǎn)動圈數(shù)n1為

式中：C251 為高速計數(shù)器計數(shù)個數(shù)。

電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)n2為

電機轉(zhuǎn)動的周長L 為

電機位移X 為

檢測步進電機位移的控制程序，即編碼器測位移控制程序見圖7。其中C251 的記錄值存放在D0寄存器中，DO 中的數(shù)值擴大100 倍后存放在D2中，再進行浮點化給D4，進行除法運算后得到的結(jié)果存放在D6 中，D6 就是電機轉(zhuǎn)動的圈數(shù)n2。計算電機轉(zhuǎn)動的周長L 值時使用乘法運算，計算結(jié)果存放在D10 中。計算電機位移X 時，需要用到前一步的D6 的值，利用乘法指令，得到D14 的值，即位移X，還需要整數(shù)化，D18 就是最后的結(jié)果。

圖7 編碼器測位移控制程序梯形圖

3 結(jié)論

本次研究中對步進電機的控制進行了優(yōu)化，應(yīng)用了編碼器的檢測功能，設(shè)計出一個負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，大大提升了對步進電機的控制性能，實現(xiàn)了對步進電機的精確定位，對生產(chǎn)中步進電機的使用具有重大意義。利用負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)進行試驗發(fā)現(xiàn)，雖然此控制系統(tǒng)可以對步進電機的速度、位移進行精確的控制，但是硬件反應(yīng)滯后的現(xiàn)象還是在所難免。因此，為了讓步進電機更好地滿足未來發(fā)展的需求，仍需不斷地對其控制進行優(yōu)化設(shè)計，探尋更佳優(yōu)化方案。