基于PCC的步進電機控制及應用-設計應用

精品文檔-下載后可編輯基于PCC的步進電機控制及應用-設計應用1前言

可編程控制器（PC）包括可編程邏輯控制器（PLC）和可編程計算機控制器（PCC）。無論是PLC還是它的升級產(chǎn)品PCC，其基本組成和工作原理部是相同的。但是，PCC具有一般PLC所不具備的特點：①PCC已經(jīng)采用了多任務操作系統(tǒng)；②PCC不但支持梯形圖和C語言等各種高低編程語言，還具有專為工業(yè)控制開發(fā)的語言，它比通用的語言，如C語言更適用于工業(yè)控制，更易于編程；③PCC可以支持多個主CPU同時工作，而且還具有智能處理器，如專門的時間處理單元守（TPU）。綜上所述可看出，PCC在很多方面突破傳統(tǒng)，在PLC中引入了新的思想和編程思想，更易于實現(xiàn)日趨復雜的控制要求[1]。步進電機在工業(yè)領域應用非常廣泛，實現(xiàn)PCC控制的步進電機具有很大的實用價值。

2步進電機的控制

步進電機的性能對控制系統(tǒng)的設計具有重要的意義，在設計時需要綜合考慮步進電機的步距角、細分數(shù)、保持力矩等，使調速系統(tǒng)具有高的可靠性。

在步進式PCC調速器中，根據(jù)步進電機的控制脈沖生成方式，它的控制方式分為直接控制和間接控制兩種方式。前者，由PCC完成脈沖生成和脈沖分配，并輸出與步進電機相適應的脈沖，再經(jīng)過功率放人驅動步進電機；后者，由PCC完成脈沖生成并輸出步進脈沖和方向控制信號，再由硬件或其他裝置（如步進電機驅動器）實現(xiàn)脈沖分配和功率放大。采用直接控制方式時，步進電機運動頻率由高速任務組的掃描周期決定，步進電機的運動頻率愈高，則要求高速任務組的掃描周期愈短，這樣，占用CPU的時間就愈長；采用間接控制方式時，其功能由TPU完成，不占用CPU資源；脈沖分配由步進電機驅動器完成，且具有更完善和靈活的控制功能（如升降速等）。因此在步進式PCC調速器中主要采用間接控制力式。

圖1示出以兩相混合式步進電機為例，采用間接控制方式的控制結構。在PCC間接控制方式下，方向控制信號根據(jù)控制量增量值的正負確定，輸出脈沖信號經(jīng)過步進電機驅動器完成脈沖的分配，使步進電機按照所要求的力向和位移量或角度轉動。

圖1兩相步進電機PCC控制電路

步進電機選用美國Palker公司的OEM83一135,驅動器選用Palker公司的OEM750,PCC模塊選用奧地利BR公司的POWERPANEL.PP41，數(shù)字量輸出模塊選用可與TPU通道相連接的高速輸出模塊DOl35。PCC通過數(shù)字量輸出模塊輸出步進脈沖信號和方向控制信號，送入OEM750步進電機驅動器的相應端口，由OEM750步進電機驅動器產(chǎn)生與步進電機相適應的驅動脈沖驅動步進電機。在PCC內部控制步進電機的脈沖信號通過調用TPU功能塊LTXPestXO產(chǎn)生，該模塊專門為步進電機設計，具有與步進電機驅動器相適應的兩個輸出信號，即步進脈沖信號和方向電平信號。PCC輸出的步進脈沖信號用于控制步進電機的位置和速度。也就是說，驅動器每接受一個脈沖就驅動步進電機旋轉一個步距角，改變脈沖頻率，則同時使步進電機的轉速改變，控制脈沖的個數(shù)，則可使步進電機定位，以實現(xiàn)步進電機調速和定位的目的。PCC輸出方向的控制信號用于控制步進電機的旋轉方向，此端為高電平時，電機順時針旋轉，反之，電機逆時針旋轉。

2.1步進電機驅動器

OEM75驅動器具有分辨率、靜態(tài)鎖定電流、驅動電流等參數(shù)設置以及升降速控制等功能，并具有使用方便、安個可靠等許多優(yōu)點。

分辨率（步進電機運行一圈的步數(shù)）的設置可多達16級，范圍從每圈200步至每圈508（）0步不等，可滿足用戶的不同要求。設置時，可通過對該驅動器上的開關2的2到5位進行。在PCC調速器中選取每圈步數(shù)為1000步，這樣步進電機的步距角為0.36度，完全滿足了調速系統(tǒng)的要求，同時由于驅動器采用了細分技術，因此對步進電機的低頻震顫也起到了很好的阻尼作用，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

步進電機在靜止狀態(tài)時的靜態(tài)鎖定電流有4種不同的電流等級可供選擇。由于PCC調速器中的鎖定力矩較小，故選取靜態(tài)鎖定電流為驅動電流的25%，以降低步進電機溫升并延長其壽命。

為使電機能有力矩又不引起電機的振蕩和噪音，在PCC調速器中將驅動電流設置為7.5A,供電電壓為24v。電流環(huán)增益按下式計算：

Ki=364000LM／U

式中LM——-電機電感（H）U——-電源電壓

需注意，當電機需要改變運動方向時，必須使改變方向的控制電平信號至少保持200us。

2.2TPU功能塊LTXPestXO模塊

TPU是PP41模塊微處理器所具有的一個時間處理單元，主要用于外部處理事件計數(shù)、門電平時間測量、頻率測量、脈寬調制等與時間有關的任務（timingtasks），縮短CPU模塊為處理這些任務調用中斷服務程序所占用的時間。TPU功能模塊包含TPU操作系統(tǒng)、TPU配置、完成特定功能的TPU程序模塊等，應用程序通過它與TPU通訊傳遞參數(shù)和數(shù)據(jù)，該功能模塊由BR公司專門研制的TPU編碼連接器產(chǎn)生，并在CPU熱啟動（warmstart）時，將自己傳入TPU的RAM中，由此接管TPU讓它完成用戶特定的功能。

在步進電機控制中，主要利用功能模塊LTXPestXO，它與D0135模塊配合使用，占用2個TPU輸出通道，通道為控制步進電機轉速的脈沖信號，第二通道為控制步進電機力向的信號。它能根據(jù)位置或相對位置兩種模式調節(jié)步進電機。該模塊在循環(huán)任務中調用。需注意，該模塊只能在程序的一個地方調用，否則不同程序部分調用同一硬件可能引起沖突。

功能模塊LTXPestXO可對包括步進電機起／停時的速度和速度、步進電機升速時的加速度和減速時的加速度、目標位置和相

對目標位置等眾多參數(shù)進行設置，使得PCC與步進電機配合使用非常靈活且功能強大，從而實現(xiàn)對步進電機及驅動器的良好控制。

3應用

目前已有多臺步進式PCC調速器已在四川越西鐵馬二級電站、四川飛羅電站等水電站投入運行。經(jīng)對四川越西鐵馬二級電站2號機組調節(jié)系統(tǒng)進行全面的靜動態(tài)特性試驗，其結果表明，性能指標已滿足或優(yōu)于國標GB/T9652.1一1997的要求，其中主要特性試驗結果：①調速器轉速死區(qū)小于0.04%；②甩25%額定負荷，接力器不動時間為0.16s；③甩100%額定負荷時，轉速上升為額定轉速的118%，調節(jié)時間為19s；④空載時擾動量取8%，選若干組參數(shù)進行試驗比較，當Kp＝1.7,Kz＝0.32,KD=1.7時比較理想，擾動后調節(jié)時間較短，接力器擺動，且機頻超調小。

4結束語

將PCC控制步進電機用于水輪機調節(jié)系統(tǒng)，數(shù)十座電站的運行結果表明，其設計合理，運行狀況良好，將步進電機用于水輪機調速器中，有效地解決了以