基于步進電機的網絡化運動控制系統設計研究

摘 要：基于步進電機網絡化運動控制系統可以實現加速器兩種工作模式的切換。帶高進度編碼器可以實現步進電機驅動轉換，從而完成不同工作設備的切換操作。本文主要對基于步進電機網絡化運動控制系統的設計原理進行分析，并在此基礎上，提出了基于步進電機網絡化運動控制系統的設計方案。

關鍵詞：運動控制;控制系統;步進電機;主站設計

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

0 引言

步進電機可以實現脈沖信號轉化為位移執行單元，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動，并且可以準確地計算出脈沖頻率和脈沖數，發出脈沖信號。此種模式下，可以對電機的位置和速度進行精準控制，且不會受到負載變化的影響，具有較強的穩定性與可靠性。

1 基于步進電機網絡化運動控制系統的設計原理

1.1 控制系統建模分析

步進電機系統中的電機模型構建較為復雜，且電機本身具有磁導、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表示靜態整步轉矩，表達方式為：

T

公式當中的ke表示的是電機結構有關的常數，θ0表示的是步進電機實際輸出轉角，θi表示的是給定目標的位置。

當步進電機運動到目標位置之后，繞組上的電壓會變為0，此種情況下：

公示當中的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表示的是電機結構有關的常數;ωm表示的是電機轉動角的速度。

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、指數型等三種不同的加減速類型。在進行運動控制系統優化設計的過程中，可以使用STM32系統，通過控制脈沖輸出頻率的方式，實現步進電機S型加減速系統控制。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，實現步進電機驅動脈沖頻率的控制，輸出的脈沖可以按照合適的頻率實現加減速曲線升頻和降頻。

2 基于步進電機網絡化運動控制系統的設計方案

2.1 總體方案

此次基于步進電機網絡化運動控制系統方案設計主要是針對傳統控制系統無法實現標準化網絡化建構的問題而進行了一種系統網絡運動控制系統。傳統系統設計工作中，不具備資源共享能力，因而急需一種網絡化的控制系統，對整個系統架構進行管理。在此環節中，可以使用一臺PC終端機進行控制，同時應用modbus協議，完成網絡傳輸。使用一臺計算機就可以同時控制多個不同的步進驅動器，且在此環境中每一個驅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，在構建基于步進電機網絡化運動控制系統時，要確定何種通訊接口比較適合該系統，通常情況下，可供選擇的接口包括了USB、現場總線、RS422、RS485等多種不同形式。在進行總線設計中，要明確不同接口的優勢和不足。比如，USB雖然靈活性強，但是傳輸距離受到限制，不能實現遠距離傳輸。RS無法實現組網控制，傳輸距離較短，速度較慢。現場總線應用范圍廣，但是成本相對較高。

2.2 主站設計

在進行主站設計中，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，并進行相關數據讀取，在完成基本操作之后，將指令發送到從機中，確保各個環節需要的功能得以滿足。根據設計需求，使用LabVIEW軟件，在完成上位機控制軟件開發后，要進一步實現電機指令控制。在此環節中，要采用參數調節的方式，確保電流環測試、故障報警、數據尋出和梯形圖顯示等功能都可以正常運轉。上位機軟件能夠實現多個步進驅動器動作的遠程控制，從而確保各項功能都可以迅速實現。系統設計中，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的連接。當連接穩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中調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。當打開一個子VI時，系統默認自動讀取其中的數據，之后會進入到循環等待，等待用戶指令觸發相應的任務。

2.3 從站設計

在進行基于步進電機網絡化運動控制系統的從站設計中，可以使用modbus協議進行操作。此種設計模式相對簡單，并且操作性較強。目前，該協議模式已經成為了工業控制器中的標準通信協議。在modbus框架中，主要是采用一問一答的通訊模式，當發出一次指令，會收到一次應答。此種方式能夠提高網絡通信領域信息傳播的正確率，并且使用參數可以開辟固定的存儲空間，在的上位機和下位機之間，構建單獨的存儲環節，實現指令控制。此次設計方案中使用的就是modbus協議模式，在協議框架中完成了上位機和下位機的通訊。在其中，初始結構設定為超過3.5倍字節的時間，數據區的字節數根據功能碼的變化而變化。

3 總結

綜上所述，一般來說，重離子加速器冷卻存儲環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備有所不同。基于步進電機網絡化運動控制系統設計工作中，技術人員要明確了系統設計的基本原理，采用建模分析算法理論分析等方式，為后續的系統優化設計提供參考。

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設計[J].江蘇理工學院學報，2017，23（04）：84-90.

[2]王燕東.基于嵌入式實時系統的步進電機協同運動控制系統設計與實現[D].河北工業大學，2016.

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