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PLC控制采用步进电机伺服控制驱动方案简介

步进电机以其价格合理、性价 比高、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、经济则是步进电机应用方面的另一重要课题。

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，限制了步进电机驱动器的推广使用。

为了克服上述问题，西门子电机供应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，同时体积小巧，安装和使用方便。广泛适用于二相、不大于3A的混合式步进电机(80系列及以下各系列电机)。西门子触摸屏北京授权总代理

控制驱动器以目前流行的自带4K FLASHROM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Z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。

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。

变频器对电动机的控制方式有四种，分别是：转差频率控制、U/f恒定控制、直接转矩控制、矢量控制。

1、转差频率控制

转差频率是施加于电动机的交流电源频率与电动机速度的差频率。根据异步电动机稳定数学模型可知，当频率一定时，异步电动机的电磁转矩正比于转差率，机械特性为直线。

转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。然而要达到自动控制系统稳态控制，还达不到良好的动态性能。

2、U/f恒定控制

U/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降。因为是控制电压(Voltage)与频率(Frequency)之比，称为U/f控制。恒定U/f控制存在的主要问题是低速性能较差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩擦力，不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化;其次是无法准确的控制电动机的实际转速。由于恒U/f变频器是转速开环控制，由异步电动机的机械特性图可知，设定值为定子频率也就是理想空载转速，而电动机的实际转速由转差率所决定，所以U/f恒定控制方式存在的稳定误差不能控制，故无法准确控制电动机的实际转速。西门子触摸屏北京授权总代理

3、直接转矩控制

直接转矩控制在很大程度上解决了矢量控制的不足，它不是通过控制电流，磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于:转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好;所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。

4、矢量控制

矢量控制，也称磁场定向控制。它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。由此开创了交流电动机和等效直流电动机的先河。矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流 Ia、Ib、Ic。通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于直流电动机的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的出现，使异步电动机变频调速在电动机的调速领域里全方位的处于优势地位。但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的话题。设置好dp从站的dp软件组态地址以后，在变频器的通信模块上的拨码开关也要对应拨上相同的站号，再设置变频器的通信i/o地址，西门子触摸屏北京授权总代理