步進電機的PWM控制

馬天才　鮑小春

摘 要：隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用，所以步進電機的控制就顯得尤為重要。本文介紹了PWM向導控制的設定方法，并闡述利用PWM實現(xiàn)步進電機控制的系統(tǒng)設計。

關鍵詞：步進電機；PWM；控制

步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用，所以步進電機的控制就顯得尤為重要。步進電機的控制方法有很多種，比如PLS控制、運動向導控制等，在眾多控制中，PWM控制具有它獨特的優(yōu)點。

一、控制要求

步進電機選用KINCO公司的2S86Q-03080兩相雙極微步型電機，驅動器選用KINCO-2M530。設置驅動器細分為10，輸出相電流為3.0A。

按下正轉啟動按鈕，步進電機順時針旋轉，轉一圈用時5秒，按下反轉啟動按鈕，步進電機逆時針旋轉，轉一圈用時10秒，并且步進電機在任何時刻都能夠從正轉變?yōu)榉崔D或從反轉變?yōu)檎D，按下停止按鈕，步進電機停止。

二、控制方案

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移或線位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角）。通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量或線位移量，從而達到準確定位的目的；通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度，從而達到調速的目的。

驅動器細分為10，則設定DIP1=OFF、DIP2=OFF、DIP3=OFF、DIP4=ON，輸出相電流為3.0A，則設定DIP6=OFF、DIP7=OFF、DIP8=ON。

2S86Q-03080型步進電機的步進角是1.8°，而驅動器細分為10，于是每來一個脈沖，步進電機旋轉的角度為0.18°，旋轉一圈就需要2000個脈沖。

旋轉角=步進角/細分數(shù)=1.8°/10=0.18°

旋轉一圈脈沖數(shù)=2∏/旋轉角=360°/0.18°=2000

PWM輸出周期=轉一圈所需時間/轉一圈所需脈沖數(shù)

所以本步進電機正轉時的PWM輸出周期=2500us/脈沖，反轉時的PWM輸出周期=5000us/脈沖。

使用PWM控制步進電機時必須使用晶體管輸出型CPU，于是控制器選用S7-200 Smart，采用開關量控制，輸入量有正轉啟動（I0.0）、反轉啟動（I0.3）和停止（I0.1），共3個輸入點；輸出量包括脈沖輸出端（Q0.0）、方向控制端（Q0.4），共2個輸出點。控制原理圖如圖1所示，圖中2K電阻是限流電阻，S7-200 Smart PLC的工作電源是直流24V。

三、PWM向導控制的設定

S7-200 Smart每個向導均顯示一個樹結構，對于每個向導，都必須完成全部所需組態(tài)并生成代碼，成功生成代碼后，向導將程序塊存儲在項目樹中“程序塊”（Program blocks）文件夾內的“向導”（Wizards）文件夾下。同樣，向導將數(shù)據(jù)塊存儲在項目樹中“數(shù)據(jù)塊”（Data Block）文件夾內的“向導”（Wizards）文件夾下，將符號存儲在“符號表”（Symbol Table）文件夾內的“向導”（Wizards）文件夾下。成功生成程序塊后，可以再主程序或另一個子例程或中斷調用向導生成的子例程。

打開PWM向導有兩種方法：①在“工具”（Tools）菜單功能區(qū)的“向導”（Wizards）區(qū)域單擊“PWM”按鈕；②在項目樹中打開“向導”（Wizards）文件夾，然后雙擊“PWM”或選中“PWM”并按Enter鍵。

PWM向導根據(jù)輸入生成一個指令，然后可將該指令放置到程序中以控制脈寬調制（PWM）輸出的占空比，PWM向導的脈沖輸出端是固定的也是可選的，脈沖輸出端可以選用Q0.0、Q0.1和Q0.3，本控制選用Q0.0作為脈沖輸出端，所以選擇要組態(tài)的脈沖“PWM0”。為了計算相出的輸出周期和占空比都為整數(shù)，輸出時基選擇“微秒”，設定完成后會自動生成PWMx_RUN子例程。

1.PWMx_RUN子例程介紹

PWMx_RUN子例程PWM提供了占空比可變的連續(xù)輸出，允許用戶通過改變脈沖寬度（從0到周期時間的脈沖寬度）來控制輸出占空比。PWMx_RUN指令的梯形圖如圖2所示：

EN使能端，一般直接接SM0.0。

RUN運行端，使輸出產(chǎn)生開和關的作用。若RUN的觸發(fā)端接通，則PWMx_RUN指令有輸出，注意關不等于不管就是關。

Cycle輸入是一個字值，定義脈寬調制（PWM）輸出的周期。如果時基為毫秒，則允許的范圍為2～65535；如果時基為微秒，則允許的范圍為10～65535。

Pulse輸入是一個字值，用于定義PWM輸出的脈寬（占空比）。允許的取值范圍為0～65535個時基單元，時基是在向導中指定的，單位為微秒或毫秒。

Error是PWMx_RUN子例程返回的字節(jié)值，用于指示執(zhí)行結果。“0”代表無錯誤，正常完成；“131”代表沖發(fā)生器已由另一個PWM或運動軸使用，或者時基變化非法。

2.使用PWMx_RUN子例程注意事項

（1）為了便于程序編寫EN使能端最好接SM0.0，當PWMx_RUN正在輸出的時候斷開EN就沒法停下來了，EN是產(chǎn)生控制的作用。

（2）Cycle、Pulse的數(shù)據(jù)類型是字，操作數(shù)只能使用IW、QW、VW、MW、SMW、SW、T、C、LW、AC、AIW、*VD、*AC、*LD、常數(shù)。

（3）PWM支持的最大脈沖速率為100k Hz。

（4）要改變步進電機的轉速只需改變輸出周期和占空比，占空比一般都設為50%，使發(fā)出的脈沖為方波。

（5）要使步進電機停止就需要斷開RUN運行端。

（6）PWM控制步進電機按照預設要求自行停止比較空難和麻煩。比如步進電機以60個脈沖/s的速度旋轉2圈自行停止，用定時器控制實現(xiàn)非常不精確，用高速計數(shù)器控制又比較麻煩。

四、結束語

PWM向導控制步進電機具有思路清晰、操作簡單、初學者易學等特點。在實際運行過程中，步進電機具有良好的穩(wěn)定性，可以滿足一般工業(yè)控制要求。

作者簡介：

馬天才，男，長期從事于工業(yè)電氣控制和電機控制的研究工作。

鮑小春，男，主要從事于機械檢修與機電一體化設備控制的研究工作。