基于步進電機的網(wǎng)絡(luò)化運動控制系統(tǒng)設(shè)計研究

摘 要：基于步進電機網(wǎng)絡(luò)化運動控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)加速器兩種工作模式的切換。帶高進度編碼器可以實現(xiàn)步進電機驅(qū)動轉(zhuǎn)換，從而完成不同工作設(shè)備的切換操作。本文主要對基于步進電機網(wǎng)絡(luò)化運動控制系統(tǒng)的設(shè)計原理進行分析，并在此基礎(chǔ)上，提出了基于步進電機網(wǎng)絡(luò)化運動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：運動控制;控制系統(tǒng);步進電機;主站設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.23.076

0 引言

步進電機可以實現(xiàn)脈沖信號轉(zhuǎn)化為位移執(zhí)行單元，且在實際的操作中，不需要編碼器，而是采用開回路控制的方法，嚴格地按照比例追隨脈搏信號轉(zhuǎn)動，并且可以準(zhǔn)確地計算出脈沖頻率和脈沖數(shù)，發(fā)出脈沖信號。此種模式下，可以對電機的位置和速度進行精準(zhǔn)控制，且不會受到負載變化的影響，具有較強的穩(wěn)定性與可靠性。

1 基于步進電機網(wǎng)絡(luò)化運動控制系統(tǒng)的設(shè)計原理

1.1 控制系統(tǒng)建模分析

步進電機系統(tǒng)中的電機模型構(gòu)建較為復(fù)雜，且電機本身具有磁導(dǎo)、渦流和磁帶分布的非線性因素[1]。所以在進行線性化處理的過程中，可以使用Te表示靜態(tài)整步轉(zhuǎn)矩，表達方式為：

T

公式當(dāng)中的ke表示的是電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，θ0表示的是步進電機實際輸出轉(zhuǎn)角，θi表示的是給定目標(biāo)的位置。

當(dāng)步進電機運動到目標(biāo)位置之后，繞組上的電壓會變?yōu)?，此種情況下：

公示當(dāng)中的i表示的是勵磁繞組的電流、R表示的是勵磁繞組的電壓、ke表示的是電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù);ωm表示的是電機轉(zhuǎn)動角的速度。

1.2 運動算法理論分析

步進電機常見的加速曲線和減速曲線包括了梯形、S型、指數(shù)型等三種不同的加減速類型。在進行運動控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的過程中，可以使用STM32系統(tǒng)，通過控制脈沖輸出頻率的方式，實現(xiàn)步進電機S型加減速系統(tǒng)控制。通常情況下，步進電機的運行頻率為100Hz至1000Hz，并且在啟動時的頻率會明顯高于運行時的頻率。運動基本原理為：步進電機啟動后，以100Hz頻率開始工作，通過改變微處理器定時器的方式，實現(xiàn)步進電機驅(qū)動脈沖頻率的控制，輸出的脈沖可以按照合適的頻率實現(xiàn)加減速曲線升頻和降頻。

2 基于步進電機網(wǎng)絡(luò)化運動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案

2.1 總體方案

此次基于步進電機網(wǎng)絡(luò)化運動控制系統(tǒng)方案設(shè)計主要是針對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)化建構(gòu)的問題而進行了一種系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運動控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計工作中，不具備資源共享能力，因而急需一種網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)，對整個系統(tǒng)架構(gòu)進行管理。在此環(huán)節(jié)中，可以使用一臺PC終端機進行控制，同時應(yīng)用modbus協(xié)議，完成網(wǎng)絡(luò)傳輸。使用一臺計算機就可以同時控制多個不同的步進驅(qū)動器，且在此環(huán)境中每一個驅(qū)動器都可以獨立工作，且互相之間不會存在干擾問題[2]。從物理層面進行分析，在構(gòu)建基于步進電機網(wǎng)絡(luò)化運動控制系統(tǒng)時，要確定何種通訊接口比較適合該系統(tǒng)，通常情況下，可供選擇的接口包括了USB、現(xiàn)場總線、RS422、RS485等多種不同形式。在進行總線設(shè)計中，要明確不同接口的優(yōu)勢和不足。比如，USB雖然靈活性強，但是傳輸距離受到限制，不能實現(xiàn)遠距離傳輸。RS無法實現(xiàn)組網(wǎng)控制，傳輸距離較短，速度較慢?，F(xiàn)場總線應(yīng)用范圍廣，但是成本相對較高。

2.2 主站設(shè)計

在進行主站設(shè)計中，此次研究工作主要選擇了一臺PC機作為主站，并通過RS485總線和從站連接的方式，使用獨立制作的軟件完成測試，并進行相關(guān)數(shù)據(jù)讀取，在完成基本操作之后，將指令發(fā)送到從機中，確保各個環(huán)節(jié)需要的功能得以滿足。根據(jù)設(shè)計需求，使用LabVIEW軟件，在完成上位機控制軟件開發(fā)后，要進一步實現(xiàn)電機指令控制。在此環(huán)節(jié)中，要采用參數(shù)調(diào)節(jié)的方式，確保電流環(huán)測試、故障報警、數(shù)據(jù)尋出和梯形圖顯示等功能都可以正常運轉(zhuǎn)。上位機軟件能夠?qū)崿F(xiàn)多個步進驅(qū)動器動作的遠程控制，從而確保各項功能都可以迅速實現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計中，工作人員要在PC機上打開軟件，用戶使用選擇從機地址，通過RS485總線和下位機建立相應(yīng)的連接。當(dāng)連接穩(wěn)定后即可進入到工作模式。在工作模式中，用戶可以從菜單欄當(dāng)中調(diào)取自己需要的各項功能，主菜單下的子菜單都是獨立的部分，不同的子VI都可以單獨運行。當(dāng)打開一個子VI時，系統(tǒng)默認自動讀取其中的數(shù)據(jù)，之后會進入到循環(huán)等待，等待用戶指令觸發(fā)相應(yīng)的任務(wù)。

2.3 從站設(shè)計

在進行基于步進電機網(wǎng)絡(luò)化運動控制系統(tǒng)的從站設(shè)計中，可以使用modbus協(xié)議進行操作。此種設(shè)計模式相對簡單，并且操作性較強。目前，該協(xié)議模式已經(jīng)成為了工業(yè)控制器中的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。在modbus框架中，主要是采用一問一答的通訊模式，當(dāng)發(fā)出一次指令，會收到一次應(yīng)答。此種方式能夠提高網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域信息傳播的正確率，并且使用參數(shù)可以開辟固定的存儲空間，在的上位機和下位機之間，構(gòu)建單獨的存儲環(huán)節(jié)，實現(xiàn)指令控制。此次設(shè)計方案中使用的就是modbus協(xié)議模式，在協(xié)議框架中完成了上位機和下位機的通訊。在其中，初始結(jié)構(gòu)設(shè)定為超過3.5倍字節(jié)的時間，數(shù)據(jù)區(qū)的字節(jié)數(shù)根據(jù)功能碼的變化而變化。

3 總結(jié)

綜上所述，一般來說，重離子加速器冷卻存儲環(huán)主要包括了多圈多次注入模式和剝離注入模式兩種類型，不同的工作模式所需要對離子分離設(shè)備有所不同。基于步進電機網(wǎng)絡(luò)化運動控制系統(tǒng)設(shè)計工作中，技術(shù)人員要明確了系統(tǒng)設(shè)計的基本原理，采用建模分析算法理論分析等方式，為后續(xù)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

參考文獻：

[1]劉必旺，陸曉昌.基于STM32和THB6064H的步進電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].江蘇理工學(xué)院學(xué)報，2017，23（04）：84-90.

[2]王燕東.基于嵌入式實時系統(tǒng)的步進電機協(xié)同運動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].河北工業(yè)大學(xué)，2016.

作者簡介：劉童越（1985-），男，遼寧沈陽人，本科，講師，研究方向：機電設(shè)備控制。