控制步進(jìn)電機通常有二種方法：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現(xiàn)步進(jìn)電機控制，該方法提高了通用化程度，但位控單元價格昂貴，甚至遠(yuǎn)高于主控單元。以上兩種方法在實際應(yīng)用中需要設(shè)計的軟硬件系統(tǒng)較為復(fù)雜，不夠經(jīng)濟適用，因此在研制反應(yīng)離子刻蝕機設(shè)備時開發(fā)出了一套簡單實用的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)，該方法減少了系統(tǒng)設(shè)計的工作量，提高了系統(tǒng)的可靠性，且經(jīng)濟適用，易于實現(xiàn)，具有一定的推廣價值。

1步進(jìn)電機的驅(qū)動器控制

　　隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，步進(jìn)電機驅(qū)動器的性能也不斷更新和升級。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，不會像單片機控制那樣易產(chǎn)生死機及丟步現(xiàn)象，某公司生產(chǎn)的SH-2H090M型驅(qū)動器控制面板如圖1所示。該驅(qū)動器主要驅(qū)動二相和四相電機，把計算機控制系統(tǒng)提供的弱電信號放大為步進(jìn)電機能夠接受的強電流信號，控制系統(tǒng)提供給驅(qū)動器的信號主要有以下3路：

圖1驅(qū)動器控制面板

　　(1)步進(jìn)脈沖信號CP：這是最重要的一路信號，因為步進(jìn)電機驅(qū)動器的原理就是要把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機的角位移，或者說：驅(qū)動器每接受一個脈沖信號CP，就驅(qū)動步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)一步距角，CP的頻率和步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速成正比，CP的脈沖個數(shù)決定了步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)的角度。這樣，控制系統(tǒng)通過脈沖信號CP就町以達(dá)到電機調(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DIR：此信號決定電機的旋轉(zhuǎn)方向。比如說，此信號為高電平時電機為順時針旋轉(zhuǎn)，此信號為低電平時電機則為反方向逆時針旋轉(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)動器接受兩路脈沖信號(一般標(biāo)注為CW和CCW)，當(dāng)其中一路(如cw)有脈沖信號時，電機正向運行，當(dāng)另一路(如ccw)有脈沖信號時，電機反向運行，SH．2H090M型驅(qū)動器就是這種方式。電機換向時，一定要在電機降速停止后再換向，并且換向信號一定要在前一個方向的最后一個CP脈沖結(jié)束后以及下一個方向的第一個CP脈沖前發(fā)出。

　　(3)脫機信號FREE：此信號為選用信號，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，這時電機處于無力矩狀態(tài)：此端為高電平或懸空不接時，此功能無效，電機可正常運行，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)電機與驅(qū)動器的接口?？刂菩盘栆? 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，此時可以串接2 kΩ的限流電阻。步進(jìn)電機及其驅(qū)動系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)配套時，體現(xiàn)出更大的優(yōu)越性。

2 步進(jìn)電機的PLC直接控制技術(shù)

　　可編程序控制器(PLC)是計算機技術(shù)與繼電器邏輯控制技術(shù)相結(jié)合的一種新型控制器，具有編程簡單、直觀；使系統(tǒng)經(jīng)濟和可靠的優(yōu)點。為了配合步進(jìn)電機的控制，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，可以很好地對步進(jìn)電機進(jìn)行直接控制。這種控制的優(yōu)點是大大減少系統(tǒng)設(shè)計的工作量，沒有各部分接口信號的匹配問題，提高系統(tǒng)的可靠性。PLC具有實時刷新技術(shù)，輸出信號的頻率可以達(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)電機的速度響應(yīng)能力，提高整個系統(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)電機各相繞組數(shù)10 V級脈沖電壓、1A級脈沖電流的驅(qū)動要求。因此用PLC來控制步進(jìn)電機，其組合方便，電路簡單可靠。

　　通常PLC直接控制步進(jìn)電機系統(tǒng)設(shè)計時，在PLC和步進(jìn)電機選型前．需要計算出脈沖當(dāng)量、脈沖頻率上限和最大脈沖數(shù)量3個參數(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)電機細(xì)分?jǐn)?shù)的選擇要避開電機的共振頻率。若步進(jìn)電機的的運行速度不超過突跳頻率，且對于定位沒有過高的要求，PLC直接控制步進(jìn)電機可以更簡單，無需計算太多的參數(shù)。下面在實例中給出簡單實現(xiàn)PLC直接控制步進(jìn)電機的方法。

3 在反應(yīng)離子刻蝕機中簡單實現(xiàn)PLC直接控制步進(jìn)電機

　　3.1 步進(jìn)電機升降速設(shè)計

　　在實例中選用86BYG250B型步進(jìn)電機，用于反應(yīng)離子刻蝕機的升降系統(tǒng)即對真空腔體蓋進(jìn)行升降?？涛g機真空腔體中要進(jìn)行工藝試驗，做完試驗要充氣開蓋取出產(chǎn)品，其他時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速度要慢，上升時速度要快一點以節(jié)省時間。所以設(shè)計時將整個過程分為兩段，腔體蓋升起時從起點到終點長度的1／4為慢速區(qū)，剩下為快速區(qū)，分界點處加一個光電開關(guān)作為變速標(biāo)志。啟動速度太快時，步進(jìn)電機由于慣性將跟隨不上電信號的變化，這時就會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和丟步現(xiàn)象，因此要選擇合適的啟動頻率，只要不超過突跳頻率即步進(jìn)電機在靜止?fàn)顟B(tài)時突然施加的脈沖啟動頻率，就不會發(fā)生這種現(xiàn)象。經(jīng)過多次試驗確定了慢速和快速均不超過所選電機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)電機的硬件設(shè)計

　　反應(yīng)離子刻蝕機控制系統(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)動器。在設(shè)備電氣控制系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)用了PLC直接控制步進(jìn)電機技術(shù)，完成了對腔體蓋升降的控制，系統(tǒng)框圖如圖2所示。只需通過上位機選擇上升、停止、下降，PLC直接控制步進(jìn)電機，步進(jìn)電機控制升降，光電開關(guān)反饋變速點和起始點位置。此外為安全考慮在升降的兩頭裝了兩個機械式開關(guān)，即使光電開關(guān)失效，電機沒有及時停止，繼續(xù)運動碰到機械式開關(guān)時，就會使驅(qū)動器斷電，也會使步進(jìn)電機停止。

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不帶加／減速的脈沖輸出。無論獨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：啟動帶高速計數(shù)器比較表的比較；停止到高速計數(shù)器比較表的比較；改變高速計數(shù)器的PV值；改變計數(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功能。

　　3.4 PLC軟件設(shè)計

　　由于電機的慢速和快速運行都不會超過電機的突跳頻率，所以設(shè)計PLC軟件時可以很簡單地實現(xiàn)PLC對電機的直接控制，邏輯控制簡單，簡化了程序的設(shè)計。PLC直接控制電機上升的程序見圖3。

圖3 電機上升程序

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

4 結(jié)論

　　采用簡單實現(xiàn)PLC直接控制步進(jìn)電機方法，大大減少了系統(tǒng)設(shè)計的工作量，縮短了反應(yīng)離子刻蝕機的開發(fā)研制周期，在一定范圍內(nèi)，有較高的推廣和實用價值。