基于Profibus的步进电机控制系统及应用_Profibus_步进电机

基于Profibus的步进电机控制系统及应用

2010/10/13 10:03:00

1 引言

步进电机在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响。该特点使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制非常的简单。

德国和欧洲标准的Profibus 现场总线是一种开放的，不依赖于生产厂家的通信系统，是一种比较成熟的总线。

Profibus 根据应用特点分成Profibus -DP，Profibus -FMS,Profibus-PA 三个兼容版本。其中Profibus－DP 是一种高速（数据传输率9.6kbit/s－12Mbit/s）经济型设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O 之间的通信，在工业自动化领域已经得到了成熟和广泛的应用。

在汽车配件的加工中加工的精度决定了产品的质量，因此现代汽车制造业对加工的精度要求越来越高。在压配生产的过程中影响压配结果的因素很多，包括加工设备的情况、工件材料属性等。有的压配过程不但要求压配的定位精度高，对压配的速度也有严格的要求。

系统以汽车配件厂的压配工序为对象，压配过程中工件要受到一些特殊的载荷，包括机械负荷和热应力负荷，整个压配工序对力和位移的参数要求较高。根据经验数据，零件的受力应维持在某个范围内，低于则压配无法完成，高于则零件会损坏。加工过程中由位移值来检测工序的完成，给进的位移量太多或太少都会使得产品成为不合格品。整个过程中影响加工精度的震动也是应该要避免的。同时工业生产线中的实际情况，要求整个系统在保证工序可靠完成的基础上，尽可能缩短压配的周期时间，并具有故障保护与故障报警功能。

2 硬件设计

考虑到上述情况，设计利用PLC 控制步进电机来完成该压配过程。PLC、模拟量放大器完成测量放大变送和控制功能，上位机通过Profibus-DP 分别与PLC 和放大器实现数据通讯，上位机还通过Ethernet 与模拟量放大器通讯完成压配过程的实时监控，上位机中由Protool 组态软件编写人机界面，显示相关数据、过程曲线，完成相关参数设定和报警功能。整个系统是典型计算机直接数字控制系统（Direct Digital Control, DDC）与监督控制系统（Supervisory Computer Control, SCC）的结合，系统结构图见图1。

2．1 PLC 的选择

系统主要的通讯基于Profibus 协议，PLC 与模拟量信号放大器以及上位机之间都是通过Profibus-DP 总线通讯，因此PLC 型号选用西门子公司S7-315C-2DP（带有2 个DP 通讯接口）。设计使得PLC 控制步进电机与PLC 从模拟量信号放大器采集监控数据两大功能模块相对独立。

2．2 模拟量信号放大器

在工业生产中一些压力测量、微位移测量等高精度要求的场合，从传感器采集到的模拟量微弱信号一般要经过一个信号的调理过程。它承担着微弱信号放大，电流、电压转换，信号滤

波，噪声信号抑制，为后续进行A/D 转换提供高精度信号的作用，同时要求满足低零漂，低电压偏移且线性转换。

压配工序对压力测量和位移测量的精度要求较高，系统中采用的高精度传感器输出信号是微弱的信号，基于上述考虑系统采用HBM 公司的MP85ADP 模拟信号放大器。MP85ADP 除

了采用不平衡电桥作为调理电路完成一般的信号调理功能外，还能够完成数据采集和实时监控功能。利用其附带的PMEAssistant软件可以根据工件的不同标准来设置加工的公差带，显示压配过程中力和位移变化的实时曲线，完成了部分的SPC功能，并根据设定参数及时检测出错误。
MP85ADP 还提供了丰富的接口，包括Profibus-DP、CAN、Ethernet，系统采用了MP85ADP 的Profibus-DP 接口与PLC 连接，Ethernet 与上位机连接。利用这些接口将放大器接入到现存的网络中，能方便的完成远程诊断和维护。

2．3 步进电机及其驱动器

步进电机采用的是Orientalmotor 公司的DRL 系列直线致动器，它内部是将滚珠螺杆安装在5 相步进电机中并带有电磁制动功能的一种新机构的直线驱动用制动器，适合于高精度定位和低震动用场合。

电机驱动器使用的是Orientalmotor 公司的CRD 系列光耦合驱动器，该驱动器具有平滑驱动功能，能在不改变脉冲输入设定的情况下，以与全步距时相同的移动速度来自动地进行微

步驱动的控制；采用了能将传动装置的基本分辨率最大设定至250 分割的微步驱动方式。使得电机在低速时也可以获得显著的低震动，低噪音的效果。系统中PLC 与驱动器接线示意图如图2 所示。

主要参数说明：

CW 脉冲：CW 方向工作指令脉冲信号（单脉冲输入方式时为工作指令的脉冲信号）负逻辑脉冲输入；脉冲宽度1μs 以上，上升下降时间2μs 以下，脉冲占空比50%以下；将脉冲输入从

ON 变为OFF 时，螺杆便在前进方向移动1 步距；最大输入脉冲频率500kHz。

CCW 脉冲：CCW 方向动作指令脉冲信号（单脉冲输入方式时为运转方向信号）负逻辑脉冲输入；脉冲宽度1μs 以上，上升下降时间2μs 以下，脉冲占空比50%以下；将脉冲输入从ON变为OFF 时，螺杆便在后退方向移动1 步距；最大输入脉冲频率500kHz。

当设为单脉冲输入时，CW 脉冲输入端变为步进电机驱动脉冲的输入端，CCW 脉冲输入端作为电机方向控制信号输入端。

分辨率转换：DATA1、DATA2 为分辨率设定开关，光耦合器OFF 时请选择DATA1，光耦合器ON 时请选择DATA2。

在驱动器上调整解析度开关，将分割数设为1，即步进电机转动0.72°/step。根据步进电机参数知解析度为0.008mm。1 分割（0.72°/step）时：每10 脉冲输出1 次；10 分割（0.072°/step）时：每100 脉冲输出1 次。

根据压配所要完成的位移量由上面公式可以算出脉冲的频率与个数，并通过控制电机速度来控制完成一次压配的时间。

3 软件设计

3．1 软件整体结构

通过Profibus-DP 总线进行通讯和控制的系统，需要导入硬件设备商提供的GSD 文件，本系统中PLC 作为系统的总站，MP85ADP 模拟量信号放大器作为DP 从站，导入GSD 文件来进行组态。程序主要由以下几部分组成：OB100、OB1、DB20、SFB49 和SFC14。

OB100 是暖启动组织块，系统启动就调用OB100，它的主要作用是初始化系统启动时的软件门的值。
OB1 是主程序组织块，是整个控制的核心部分，一些控制命令，如速度命令、位置命令、复位命令以及电机控制器的初始化都是由它完成的。它包括系统功能SFC14、系统功能块SFB49和背景数据块DB20。

系统功能SFC14 通过Profibus-DP 总线定期的从DP 从站读取和更新数据。每个SFC14 只能到配置好的指定地址上去读取数据，系统中要读取位移和压力的值所以要使用两个SFC14

分别到硬件组态中设置好的地址上去读取。其中LADDER 参数记录的是DP 从站中数据的地址，RET-VAL 参数在发生错误的时候会被激活，返回一个错误码。RECORD 参数记录的是从站中读取来的数据在主站中的存放目的地址。

系统功能块SFB49 实现的是脉冲宽度调制功能（Pulse width modulation、PWM）。程序中用到它的主要参数有LADDR、SW_EN、OUTP_VAL 等。LADDR 参数记录的是子模块的I/O 地址，它是在硬件组态时分配的；SW-EN 为软件门，来控制功能的启动/停止；OUTP_VAL 为设定脉冲宽度的参数。

3．2 使用S7-300C 的脉宽调制功能实现控制

系统中PLC 的CPU 集成了4 路完全独立最高2.5KHZ 的脉冲输出，同时带有门功能可启动/停止脉冲宽度调制(程序中采用的是软件门中断方式）。使用STEP7 V5.4 进行系统硬件组

态时，设置输出脉冲参数的输出格式为Per mil 或S7 analog。

Per mil 为1000，Pulse duration＝Outp_val/1000*Period duration S7 analog，Pulse duration＝Outp_val/27648 * Period duration S7 模拟量转化成脉冲输出。

Outp_val 是SFB49 中的一个变量，可以在程序中随时修改脉冲宽度。

时基可以选择1ms 或0.1ms。Period 最小为0.4ms 所以最大输出频率为2.5KHZ。