基于可编程控制器的步进电机闭环智能控制系统

李勇

摘 要：步进电机控制器是集电机控制、驱动一体的模块化控制器，在工业现场的设备控制中，步进电机控制器因为具有可靠性高、稳定性好、模块化组装、维护方便优点，在工业生产设备中广泛应用于动力执行单元。控制系统对于外部环境变化的实时响应是影响工业生产中的重要因素，工业生产环境复杂多变，要求控制系统能够实时采集现场数据，并对所采集的数据及时进行处理与动作。在这一背景下，步进电机作为工业控制中的动力输出单元，需要满足当下复杂多变的工业现场中对于负载变化实时响应的需求。基于此，本篇文章对可编程控制器的步进电机闭环智能控制系统进行研究，以供参考。

关键词：可编程控制器;步进电机;闭环;智能控制系统

引言

步进电机具有机械结构简单、没有累计误差、控制灵活、成本较低等优点被广泛的使用在自动控制领域，比如打印机、机床、机器人等，但是步进电机有着很明显的缺点，低速运动由于步距角太大使电流不连续会产生振动，高速电机会产生失步的现象，所以很多高精度的场合并不适用步进电机。因此为了适应工业界的发展人们将永磁同步电机矢量控制方法的思想引入到了步进电机中来，由于电机结构的不同，人们对步进电机的矢量控制在不同的方向上进行了简化，采用了恒流斩波的驱动方式实现了步进电机步距角的128细分，采用了将量化的步进电机细分电流制成了表格，存入软件的数组中，使用时根据数组中的数据给定期望的电流，再通过采集相电流形成闭环的系统，可以实现256细分的驱动控制。这些控制方式都是可以增加步进电机的细分数和运行的平稳度，但是还是对矢量控制的过程做了一定程度的简化，不能实现任意细分。因此本文将从矢量控制根本性原理进行详细推导，从而实现任意细分和恒力矩的步进电机驱动器。

1步进电机

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，由于其结构简单、开环精度高、成本低等优点而在大量中低端场合得到广泛应用。

2步进电机控制系统硬件电路设计

1）单片机模块：在单片机模块设计中，需要按照需求选择出最佳的单片机、外围滤波、电源管理、晶振。以MSP430FG4618单片机为例，可以很好地满足步进电机的存储要求，这主要是因为这一单片机内配置了116kBFlash和8kBRAM。在晶振使用方面，主要可以选用32kHz晶振和8MHz晶振，均有着较好的应用优势。为了便于快速且准确改变步进电机的工作状态，设计时要设置P1和P2端口，以按键状态判断作为依据，通过跳入中断服务程序来有效改变步进电机的工作状态。2）键盘LED模块：在当前的步进电机控制系统设计中，人机对话是必须实现的一大功能，可考虑在系统中设计按钮矩阵键盘和LED数码管，并具备工作人员直接动手操作这一系统的功能。待步进电机控制系统通电后，键盘可以自主输入相关的信息，比如步进电机的转向信息、启停信息、转速信息，而LED数码管可以动态显示步进电机的转向与转速。在实际设计时有一点需要有所考虑，即要努力减轻单片机的工作压力，键盘输入与LED数码管的输出应考虑实施集中性控制。若是有设计需求，则在键盘扫描输入方式的设计上可以加入去抖动功能，这样可以有效避免误触发问题。3）驱动/放大模块：驱动/放大模块的设计是一大难点，需要考虑多个方面的要素，所要实现的功能也较多，必须认真开展设计工作。具体来说，步进电机的控制系统要选择合适的脉冲分配器，也称之为逻辑转换器，以脉冲分配器PMM8713为例，搭载着较强的集成电路，相输出驱动能力为20mA，可以满足三相步进电机和四相步进电机的运行要求。在选定脉冲分配器后，要重点确定激励方式，当前所使用的激励方式较多，应结合实际情况进行综合性的考虑。在三相与四相步进电机的激励方式中，均可以选择1相、2相、1～2相的激励方式，输入方式可以选单时钟和双时钟。在长期的研究与应用中发现，无论是单时钟还是双时钟，均具有多项显著功能，包括正反转控制、激励方式监视、原点监视、输入脉冲监视。

3系统软件设计

由电压方程h和转矩方程c，得到可编程控制器算法的输入量，对步进电机速度环、电流环、位置环进行闭环控制。电机速度环和电流环采用积分离的PI调节，计算t时刻电机绕组的电压偏差J（t）公式为J（t）=h1（t）-h2（t）（1）式中：h1（t），h2（t）分别为绕组电压的参考值和实际值。对电压偏差J（t）进行限幅处理，预设电压偏差范围i，当电压偏差在范围i之内，对J（t）进行比例放大和积分，当偏差在范围i之外，仅对J（t）进行比例放大。计算积分项开关系数j，公式为 （2）

电机速度环和电流环的调节量K（t）表达式为 （3）

式中：k为比例系数;L为时间积分常数。通过比例放大，对电压偏差J（t）作出快速反应，提高系统响应速率，加快速度環和电流环的调节，通过积分，在定时间内实现无静差调节，消除电压偏差J（t）。可编程控制器的比例系数k为式中：l，m分别为转速和电流反馈参数;M为磁通;N为总电阻;O为电动势参数;p为磁极对数。位置环采用比例调节，计算t时刻电机转矩偏差P（t），式为P（t）=c1（t）-c2（t）（11）式中：c1（t），c2（t）分别为电机转矩的参考值和实际值。位置环调节量n（t）表达式为n（t）=kP（t）（4）通过调节量K（t）和n（t），对电机的电流和转子位置进行调节，构成三环控制结构。至此完成可编程控制器闭环控制算法的优化，实现系统软件设计，完成基于可编程控制器的步进电机闭环智能控制系统设计。

结束语

总而言之，此次研究将可编程控制器作为中央主控单元，设计了一种步进电机闭环智能控制系统，步进电机能够快速跟踪指令信号，且电机运行更加稳定。但此次设计系统仍存在一定不足，在今后的研究中，会同时加入位置环和速度环进行调试，在系统硬件结构中加入光电编码器，获取转子速度和位置，结合参数自动辨识算法，对步进电机进行无位置控制，进一步提高系统对步进电机的控制性能。

参考文献

[1]吕高强.步进电机控制器研发与产业化的关键问题研究[D].武汉工程大学，2018.

[2]刘征.全自动晶棒定向粘料机控制系统设计及控制算法研究[D].东北大学，2018.

[3]赵鹏超.基于组态软件与可编程控制器的电梯门板自动装箱系统研究[D].河北工业大学，2018.