| 摘要：介绍了一种新型步进电动机控制驱动器。该驱动器充分利用了单片机运行速度高和软件控制灵活的特点，将传统的PLC步进电动机控制模块与驱动电源合二为一，开发出一种价格低、性能优良的新型运动控制产品，并已应用于数控标记机。 |
1 前言
步进电动机以其价格低、控制方便等优点已在机床等机电一体化设备中得到了广泛应用。步进电动机必须靠控制器、驱动电源提供的脉冲等信号完成升频、降频、快进、变速、停止、反向等工作，所以控制电路、驱动电源的水平决定着步进电动机运行性能与稳定性。而如何使控制更简单、方便、经济则是步进电动机应用方面的另一个重要课题。 目前，很大一批机电一体化设备、机床设备和自动化生产设备都采用了PLC控制，其中一部分功能需要采用步进电动机伺服控制驱动方案。例如：需要实现多速、多行程的进给控制或辅助控制(磨削进给、砂轮自动修正等)的场合。PLC本身不具有高速脉冲输出，为此要在PLC的基础上增加与步进电动机控制配套的附加智能控制模块。该模块加上带细分的驱动电源，整个控制部分的成本就比较高，限制了步进电动机驱动器的推广使用。为了克服上述问题，我们开发了一种新型控制驱动器产品，它充分利用单片机的各种资源及运行速度高等特点，用软件完成各种硬件功能和其它功能，将步进电动机控制模块与驱动电源合二为一。其硬件电路得到简化，成本大为降低，整体价格仅在1000元左右，同时体积小巧，安装和使用方便。广泛适用于二相、不大于3A的混合式步进电动机(80系列及以下各系列电动机)。
图1 控制驱动器电路简图 |
2 控制驱动器方案
控制驱动器以目前流行的自带4K FLASH ROM的ATM89C51为核心，如图1所示，包括输入、D/A转换、功率放大等模块。 该控制驱动器的最大特点在于软件化。通过软件完成以下一些主要功能：输入扫描、升降频、软件脉冲环分和整步/细分切换。 附表 编码信息与频率关系 | P3.0 | P3.1 | P3.2 | 说明(频率F：Hz) |
|---|
| 1 | 1 | 1 | 复位F=0 |
| 1 | 1 | 0 | 20细分F=100 |
| 1 | 0 | 1 | 20细分F=250 |
| 1 | 0 | 0 | 20细分F=500 |
| 0 | 1 | 1 | 20细分F=1000 |
| 0 | 1 | 0 | 20细分F=2500 |
| 0 | 0 | 1 | 20细分F=5000 |
| 0 | 0 | 0 | 整步F=10K |
| P3.3 为方向信号，1 为反，0 为正。 |
单片机接收来自四个外部输入口的电平信号：一位用于控制方向：其余三位用于控制速度，它们的不同组合可以选择7种常用的运行频率和停止复位状态(如附表所示)。自动完成升降频、整步/细分切换等工作，输出环分后的脉冲。 3 典型应用举例
对于一般精度要求的场合，可以通过行程开关等的配合进行控制。以机床典型工作循环为例，如图2所示。机床启动时，工作台先运动到机械原点，从A到B为高速快进，在碰到B后，降速并以预先设定的工进速度完成车、铣、钻等工作，至触到开关C停止、延时、反向并高速返回，即完成一次典型工作循环。如果机床系统本身用PLC，可以用PLC接受信息并向控制驱动器发信号。若系统不用PLC，可用继电器逻辑电路或编码器芯片构成的电路完成开关信号到控制信号的转换。
图2 机床典型循环工作图 |
对于高精度要求的场合，可以用PLC加长光栅，并通过以下配置即可完成所需的精密定位控制，如图3所示。 在机械运动机构上安装长光栅(位置传感器)，把光栅输出信号反馈到PLC高速脉冲输入口，完成计数功能。在运动机构一端设定限位开关作为机械原点(可用光电、霍尔元件)，当步进电动机通电后，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。假如步进电动机的脉冲当量为0.001mm，与之配合的光栅也选配每0.001mm输出一个脉冲，这样步进电动机每走一步，光栅反馈一次信号到PLC内，计数器则加(或减)1。当接近目标时减慢速度，以较低或最低速度到达目标位置。
图3 精密控制应用系统简图 |
4 结语
经过长时间的试用证明，该控制驱动器使用简单、稳定可靠。同传统驱动器相比，价格低廉。适用于(开环、闭环)各种不同精度要求的场合，目前已在数控标记机产品上应用，值得大力推广。
发布日期：2018-01-16
