控制步進(jìn)電機(jī)通常有二種方法：一種是采用專用控制器，這種控制器主要由脈沖信號(hào)發(fā)生器、環(huán)形脈沖分配器和功率放大器組成；另一種是用PLC主控單元加位控單元實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制，該方法提高了通用化程度，但位控單元價(jià)格昂貴，甚至遠(yuǎn)高于主控單元。以上兩種方法在實(shí)際應(yīng)用中需要設(shè)計(jì)的軟硬件系統(tǒng)較為復(fù)雜，不夠經(jīng)濟(jì)適用，因此在研制反應(yīng)離子刻蝕機(jī)設(shè)備時(shí)開發(fā)出了一套簡(jiǎn)單實(shí)用的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，該方法減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量，提高了系統(tǒng)的可靠性，且經(jīng)濟(jì)適用，易于實(shí)現(xiàn)，具有一定的推廣價(jià)值。

1步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器控制

　　隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的性能也不斷更新和升級(jí)。由于采用超大規(guī)模集成電路，具有高度的抗干擾性及快速的響應(yīng)性，不會(huì)像單片機(jī)控制那樣易產(chǎn)生死機(jī)及丟步現(xiàn)象，某公司生產(chǎn)的SH-2H090M型驅(qū)動(dòng)器控制面板如圖1所示。該驅(qū)動(dòng)器主要驅(qū)動(dòng)二相和四相電機(jī)，把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提供的弱電信號(hào)放大為步進(jìn)電機(jī)能夠接受的強(qiáng)電流信號(hào)，控制系統(tǒng)提供給驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)主要有以下3路：

圖1驅(qū)動(dòng)器控制面板

　　(1)步進(jìn)脈沖信號(hào)CP：這是最重要的一路信號(hào)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的原理就是要把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說：驅(qū)動(dòng)器每接受一個(gè)脈沖信號(hào)CP，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角，CP的頻率和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，CP的脈沖個(gè)數(shù)決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。這樣，控制系統(tǒng)通過脈沖信號(hào)CP就町以達(dá)到電機(jī)調(diào)速和定位的目的。CP脈沖的寬度一般要求不小于2μs。

　　(2)方向電平信號(hào)DIR：此信號(hào)決定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。比如說，此信號(hào)為高電平時(shí)電機(jī)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此信號(hào)為低電平時(shí)電機(jī)則為反方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。此種換向方式，我們稱之為單脈沖方式。另外，還有一種雙脈沖換向方式：驅(qū)動(dòng)器接受兩路脈沖信號(hào)(一般標(biāo)注為CW和CCW)，當(dāng)其中一路(如cw)有脈沖信號(hào)時(shí)，電機(jī)正向運(yùn)行，當(dāng)另一路(如ccw)有脈沖信號(hào)時(shí)，電機(jī)反向運(yùn)行，SH．2H090M型驅(qū)動(dòng)器就是這種方式。電機(jī)換向時(shí)，一定要在電機(jī)降速停止后再換向，并且換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè)CP脈沖結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第一個(gè)CP脈沖前發(fā)出。

　　(3)脫機(jī)信號(hào)FREE：此信號(hào)為選用信號(hào)，并不是必須要用的，只在一些特殊情況下使用，此端為低電平有效，這時(shí)電機(jī)處于無力矩狀態(tài)：此端為高電平或懸空不接時(shí)，此功能無效，電機(jī)可正常運(yùn)行，此功能若不采用，只需將此端懸空即可。Switchsettings用來設(shè)定細(xì)分?jǐn)?shù)；AC。和AC2為兩路交流電源接口；AB是步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的接口。控制信號(hào)要求7 mA≤高電流≤25 mA，-25 mA≤低電流≤0.2 mA，由于PLC的控制電源多配置24 V開關(guān)電源，此時(shí)可以串接2 kΩ的限流電阻。步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)配套時(shí)，體現(xiàn)出更大的優(yōu)越性。

2 步進(jìn)電機(jī)的PLC直接控制技術(shù)

　　可編程序控制器(PLC)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電器邏輯控制技術(shù)相結(jié)合的一種新型控制器，具有編程簡(jiǎn)單、直觀；使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)和可靠的優(yōu)點(diǎn)。為了配合步進(jìn)電機(jī)的控制，許多PLC都內(nèi)置了脈沖輸出功能，并設(shè)置了相應(yīng)的控制指令，可以很好地對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行直接控制。這種控制的優(yōu)點(diǎn)是大大減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量，沒有各部分接口信號(hào)的匹配問題，提高系統(tǒng)的可靠性。PLC具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)，輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫茲或更高，使得脈沖分配能有很高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。并且，PLC有采用大功率晶體管的輸出端口，能夠滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)10 V級(jí)脈沖電壓、1A級(jí)脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。因此用PLC來控制步進(jìn)電機(jī)，其組合方便，電路簡(jiǎn)單可靠。

　　通常PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在PLC和步進(jìn)電機(jī)選型前．需要計(jì)算出脈沖當(dāng)量、脈沖頻率上限和最大脈沖數(shù)量3個(gè)參數(shù)：

　　根據(jù)脈沖頻率確定PLC高速脈沖輸出頻率，根據(jù)脈沖數(shù)量確定PLC的位寬?？紤]到系統(tǒng)響應(yīng)的及時(shí)性、可靠性和使用壽命，PLC應(yīng)選擇晶體管輸出型。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)的選擇要避開電機(jī)的共振頻率。若步進(jìn)電機(jī)的的運(yùn)行速度不超過突跳頻率，且對(duì)于定位沒有過高的要求，PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)可以更簡(jiǎn)單，無需計(jì)算太多的參數(shù)。下面在實(shí)例中給出簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)的方法。

3 在反應(yīng)離子刻蝕機(jī)中簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)

　　3.1 步進(jìn)電機(jī)升降速設(shè)計(jì)

　　在實(shí)例中選用86BYG250B型步進(jìn)電機(jī)，用于反應(yīng)離子刻蝕機(jī)的升降系統(tǒng)即對(duì)真空腔體蓋進(jìn)行升降。刻蝕機(jī)真空腔體中要進(jìn)行工藝試驗(yàn)，做完試驗(yàn)要充氣開蓋取出產(chǎn)品，其他時(shí)間要求腔體蓋降下與腔體密封，所以要經(jīng)常升降腔體蓋。升降過程中要求降下時(shí)速度要慢，上升時(shí)速度要快一點(diǎn)以節(jié)省時(shí)間。所以設(shè)計(jì)時(shí)將整個(gè)過程分為兩段，腔體蓋升起時(shí)從起點(diǎn)到終點(diǎn)長(zhǎng)度的1／4為慢速區(qū)，剩下為快速區(qū)，分界點(diǎn)處加一個(gè)光電開關(guān)作為變速標(biāo)志。啟動(dòng)速度太快時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由于慣性將跟隨不上電信號(hào)的變化，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和丟步現(xiàn)象，因此要選擇合適的啟動(dòng)頻率，只要不超過突跳頻率即步進(jìn)電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)突然施加的脈沖啟動(dòng)頻率，就不會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。經(jīng)過多次試驗(yàn)確定了慢速和快速均不超過所選電機(jī)的突跳頻率就能很好地滿足升降要求。

　　3.2 PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

　　反應(yīng)離子刻蝕機(jī)控制系統(tǒng)選用歐姆龍公司的CJ1M-CPU22型PLC，某公司生產(chǎn)的SH-2H090M型驅(qū)動(dòng)器。在設(shè)備電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用了PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)技術(shù)，完成了對(duì)腔體蓋升降的控制，系統(tǒng)框圖如圖2所示。只需通過上位機(jī)選擇上升、停止、下降，PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)控制升降，光電開關(guān)反饋?zhàn)兯冱c(diǎn)和起始點(diǎn)位置。此外為安全考慮在升降的兩頭裝了兩個(gè)機(jī)械式開關(guān)，即使光電開關(guān)失效，電機(jī)沒有及時(shí)停止，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)碰到機(jī)械式開關(guān)時(shí)，就會(huì)使驅(qū)動(dòng)器斷電，也會(huì)使步進(jìn)電機(jī)停止。

圖2 系統(tǒng)框圖

　　3.3 程序控制指令

　只需要少量的控制指令就能實(shí)現(xiàn)控制功能，程序中用到的指令為：

　　MOV：傳送數(shù)據(jù)的一個(gè)字到指定字中。

　　SPPEED：用于設(shè)定指定端口的輸出脈沖頻率和啟動(dòng)不帶加／減速的脈沖輸出。無論獨(dú)立模式定位或者連續(xù)模式速度控制都可使用。

　　INI：用于CJIM CPU單元的內(nèi)置式I／O執(zhí)行下列操作：?jiǎn)?dòng)帶高速計(jì)數(shù)器比較表的比較；停止到高速計(jì)數(shù)器比較表的比較；改變高速計(jì)數(shù)器的PV值；改變計(jì)數(shù)器模式下中斷輸入的PV值；改變脈沖輸出的PV值；停止脈沖輸出。在系統(tǒng)程序中就用到了停止脈沖輸出這項(xiàng)功能。

　　3.4 PLC軟件設(shè)計(jì)

　　由于電機(jī)的慢速和快速運(yùn)行都不會(huì)超過電機(jī)的突跳頻率，所以設(shè)計(jì)PLC軟件時(shí)可以很簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)電機(jī)的直接控制，邏輯控制簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了程序的設(shè)計(jì)。PLC直接控制電機(jī)上升的程序見圖3。

圖3 電機(jī)上升程序

　　電機(jī)下降的程序與上升程序類似。整個(gè)控制程序中上位機(jī)只需要發(fā)出電機(jī)上升、停止、下降即103.0、103.1、103.2三個(gè)信號(hào)就可以控制電機(jī)的升、停、降。

4 結(jié)論

　　采用簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)PLC直接控制步進(jìn)電機(jī)方法，大大減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量，縮短了反應(yīng)離子刻蝕機(jī)的開發(fā)研制周期，在一定范圍內(nèi)，有較高的推廣和實(shí)用價(jià)值。