基于Profibus的步進電機控制系統技術要點揭示

　　1 引言
　　步進電機在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，不受負載變化的影響。該特點使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制非常的簡單。
　　德國和歐洲標準的Profibus 現場總線是一種開放的，不依賴于生產廠家的通信系統，是一種比較成熟的總線。
　　Profibus 根據應用特點分成Profibus -DP，Profibus -FMS,Profibus-PA 三個兼容版本。其中Profibus-DP 是一種高速(數據傳輸率9.6kbit/s-12Mbit/s)經濟型設備級網絡，主要用于現場控制器與分散I/O 之間的通信，在工業自動化領域已經得到了成熟和廣泛的應用。
　　在汽車配件的加工中加工的精度決定了產品的質量，因此現代汽車制造業對加工的精度要求越來越高。在壓配生產的過程中影響壓配結果的因素很多，包括加工設備的情況、工件材料屬性等。有的壓配過程不但要求壓配的定位精度高，對壓配的速度也有嚴格的要求。
　　系統以汽車配件廠的壓配工序為對象，壓配過程中工件要受到一些特殊的載荷，包括機械負荷和熱應力負荷，整個壓配工序對力和位移的參數要求較高。根據經驗數據，零件的受力應維持在某個范圍內，低于則壓配無法完成，高于則零件會損壞。加工過程中由位移值來檢測工序的完成，給進的位移量太多或太少都會使得產品成為不合格品。整個過程中影響加工精
　　度的震動也是應該要避免的。同時工業生產線中的實際情況，要求整個系統在保證工序可靠完成的基礎上，盡可能縮短壓配的周期時間，并具有故障保護與故障報警功能。
　　2 硬件設計
　　考慮到上述情況，設計利用PLC 控制步進電機來完成該壓配過程。PLC、模擬量放大器完成測量放大變送和控制功能，上位機通過Profibus-DP 分別與PLC 和放大器實現數據通訊，上位機還通過Ethernet 與模擬量放大器通訊完成壓配過程的實時監控，上位機中由Protool 組態軟件編寫人機界面，顯示相關數據、過程曲線，完成相關參數設定和報警功能。整個系統是典型計算機直接數字控制系統(Direct Digital Control, DDC)與監督控制系統(Supervisory Computer Control, SCC)的結合，系統結構圖見圖1。

　　2.1 PLC 的選擇
　　系統主要的通訊基于Profibus 協議，PLC 與模擬量信號放大器以及上位機之間都是通過Profibus-DP 總線通訊，因此PLC 型號選用西門子公司S7-315C-2DP(帶有2 個DP 通訊接口)。設計使得PLC 控制步進電機與PLC 從模擬量信號放大器采集監控數據兩大功能模塊相對獨立。
　　2.2 模擬量信號放大器
　　在工業生產中一些壓力測量、微位移測量等高精度要求的場合，從傳感器采集到的模擬量微弱信號一般要經過一個信號的調理過程。它承擔著微弱信號放大，電流、電壓轉換，信號濾波，噪聲信號抑制，為后續進行A/D 轉換提供高精度信號的作用，同時要求滿足低零漂，低電壓偏移且線性轉換。
　　壓配工序對壓力測量和位移測量的精度要求較高，系統中采用的高精度傳感器輸出信號是微弱的信號，基于上述考慮系統采用HBM 公司的MP85ADP 模擬信號放大器。MP85ADP 除
　　了采用不平衡電橋作為調理電路完成一般的信號調理功能外，還能夠完成數據采集和實時監控功能。利用其附帶的PMEAssistant軟件可以根據工件的不同標準來設置加工的公差帶，顯示壓配過程中力和位移變化的實時曲線，完成了部分的SPC功能，并根據設定參數及時檢測出錯誤。
　　MP85ADP 還提供了豐富的接口，包括Profibus-DP、CAN、Ethernet，系統采用了MP85ADP 的Profibus-DP 接口與PLC 連接，Ethernet 與上位機連接。利用這些接口將放大器接入到現存的網絡中，能方便的完成遠程診斷和維護。
　　2.3 步進電機及其驅動器
　　步進電機采用的是Orientalmotor 公司的DRL 系列直線致動器，它內部是將滾珠螺桿安裝在5 相步進電機中并帶有電磁制動功能的一種新機構的直線驅動用制動器，適合于高精度定位和低震動用場合。
　　電機驅動器使用的是Orientalmotor 公司的CRD 系列光耦合驅動器，該驅動器具有平滑驅動功能，能在不改變脈沖輸入設定的情況下，以與全步距時相同的移動速度來自動地進行微
　　步驅動的控制;采用了能將傳動裝置的基本分辨率最大設定至250 分割的微步驅動方式。使得電機在低速時也可以獲得顯著的低震動，低噪音的效果。系統中PLC 與驅動器接線示意圖如圖2 所示。

　　主要參數說明：
　　CW 脈沖：CW 方向工作指令脈沖信號(單脈沖輸入方式時為工作指令的脈沖信號)負邏輯脈沖輸入;脈沖寬度1μs 以上，上升下降時間2μs 以下，脈沖占空比50%以下;將脈沖輸入從ON 變為OFF 時，螺桿便在前進方向移動1 步距;最大輸入脈沖頻率500kHz。
　　CCW 脈沖：CCW 方向動作指令脈沖信號(單脈沖輸入方式時為運轉方向信號)負邏輯脈沖輸入;脈沖寬度1μs 以上，上升下降時間2μs 以下，脈沖占空比50%以下;將脈沖輸入從ON變為OFF 時，螺桿便在后退方向移動1 步距;最大輸入脈沖頻率500kHz。
　　當設為單脈沖輸入時，CW 脈沖輸入端變為步進電機驅動脈沖的輸入端，CCW 脈沖輸入端作為電機方向控制信號輸入端。
　　分辨率轉換：DATA1、DATA2 為分辨率設定開關，光耦合器OFF 時請選擇DATA1，光耦合器ON 時請選擇DATA2。
　　在驅動器上調整解析度開關，將分割數設為1，即步進電機轉動0.72°/step。根據步進電機參數知解析度為0.008mm。1 分割(0.72°/step)時：每10 脈沖輸出1 次;10 分割(0.072°/step)時：每100 脈沖輸出1 次。