基于PCC的步進電機控制及應用

1 前言
　　可編程控制器（PC）包括可編程邏輯控制器（PLC）和可編程計算機控制器（PCC）。無論是PLC還是它的升級產品PCC，其基本組成和工作原理部是相同的。但是，PCC具有一般PLC所不具備的特點：① PCC已經采用了多任務操作系統；② PCC不但支持梯形圖和C語言等各種高低編程語言，還具有專為工業控制開發的高級語言，它比通用的高級語言，如C 語言更適用于工業控制，更易于編程；③ PCC可以支持多個主CPU同時工作，而且還具有智能處理器，如專門的時間處理單元守（TPU）。綜上所述可看出，PCC在很多方面突破傳統，在PLC中引入了新的思想和編程思想，更易于實現日趨復雜的控制要求[1]。步進電機在工業領域應用非常廣泛，實現PCC控制的步進電機具有很大的實用價值。

　　2 步進電機的控制
　　步進電機的性能對控制系統的設計具有重要的意義，在設計時需要綜合考慮步進電機的步距角、細分數、保持力矩等，使調速系統具有高的可靠性。

　　在步進式PCC調速器中，根據步進電機的控制脈沖生成方式，它的控制方式分為直接控制和間接控制兩種方式。前者，由PCC完成脈沖生成和脈沖分配，并輸出與步進電機相適應的脈沖，再經過功率放人驅動步進電機；后者，由PCC完成脈沖生成并輸出步進脈沖和方向控制信號，再由硬件或其他裝置（如步進電機驅動器）實現脈沖分配和功率放大。采用直接控制方式時，步進電機運動頻率由高速任務組的掃描周期決定，步進電機的運動頻率愈高，則要求高速任務組的掃描周期愈短，這樣，占用CPU的時間就愈長；采用間接控制方式時，其功能由TPU完成，不占用CPU 資源；脈沖分配由步進電機驅動器完成，且具有更完善和靈活的控制功能（如升降速等）。因此在步進式PCC調速器中主要采用間接控制力式。

　　圖1 示出以兩相混合式步進電機為例，采用間接控制方式的控制結構。在PCC間接控制方式下，方向控制信號根據控制量增量值的正負確定，輸出脈沖信號經過步進電機驅動器完成脈沖的分配，使步進電機按照所要求的力向和位移量或角度轉動。

　　步進電機選用美國Palker 公司的OEM83 一135 , 驅動器選用Palker 公司的OEM750 , PCC模塊選用奧地利B&R公司的POWER PANEL.PP41 ，數字量輸出模塊選用可與TPU 通道相連接的高速輸出模塊DOl35 。PCC通過數字量輸出模塊輸出步進脈沖信號和方向控制信號，送入OEM750 步進電機驅動器的相應端口， 由OEM750 步進電機驅動器產生與步進電機相適應的驅動脈沖驅動步進電機。在PCC 內部控制步進電機的脈沖信號通過調用TPU功能塊LTXPestXO 產生，該模塊專門為步進電機設計，具有與步進電機驅動器相適應的兩個輸出信號，即步進脈沖信號和方向電平信號。PCC 輸出的步進脈沖信號用于控制步進電機的位置和速度。也就是說，驅動器每接受一個脈沖就驅動步進電機旋轉一個步距角，改變脈沖頻率，則同時使步進電機的轉速改變，控制脈沖的個數，則可使步進電機精確定位，以實現步進電機調速和定位的目的。PCC輸出方向的控制信號用于控制步進電機的旋轉方向，此端為高電平時，電機順時針旋轉，反之，電機逆時針旋轉。

　　2 .1 步進電機驅動器
　　OEM75驅動器具有分辨率、靜態鎖定電流、最大驅動電流等參數設置以及升降速控制等功能，并具有使用方便、安個可靠等許多優點。

　　分辨率（步進電機運行一圈的步數）的設置可多達16 級，范圍從每圈200 步至每圈508 （ ） 0 步不等，可滿足用戶的不同要求。設置時，可通過對該驅動器上的開關2 的2 到5 位進行。在PCC調速器中選取每圈步數為1000步，這樣步進電機的步距角為0.36度 ，完全滿足了調速系統的要求，同時由于驅動器采用了細分技術，因此對步進電機的低頻震顫也起到了很好的阻尼作用，增強了系統的穩定性和可靠性。

　　步進電機在靜止狀態時的靜態鎖定電流有4 種不同的電流等級可供選擇。由于PCC 調速器中的鎖定力矩較小，故選取靜態鎖定電流為最大驅動電流的25 % ，以降低步進電機溫升并延長其壽命。

　　為使電機能有最大力矩又不引起電機的振蕩和噪音，在PCC調速器中將最大驅動電流設置為7.5A , 供電電壓為24v 。電流環增益按下式計算：
　　Ki= 364 000 LM／U
　　式中 LM——-電機電感（H） U——-電源電壓
　　需注意，當電機需要改變運動方向時，必須使改變方向的控制電平信號至少保持200us。

　　2 .2 TPU功能塊LTXPestXO模塊
　　TPU 是PP41 模塊微處理器所具有的一個時間處理單元，主要用于外部處理事件計數、門電平時間測量、頻率測量、脈寬調制等與時間有關的任務（timing tasks ） ，縮短CPU 模塊為處理這些任務調用中斷服務程序所占用的時間。TPU功能模塊包含TPU操作系統、TPU 配置、完成特定功能的TPU 程序模塊等，應用程序通過它與TPU通訊傳遞參數和數據，該功能模塊由B&R公司專門研制的TPU 編碼連接器產生，并在CPU 熱啟動（warm start）時，將自己傳入TPU 的RAM 中，由此接管TPU 讓它完成用戶特定的功能。

　　在步進電機控制中，主要利用功能模塊LTXPestXO，它與D0135 模塊配合使用，占用2 個TPU 輸出通道，第一通道為控制步進電機轉速的脈沖信號，第二通道為控制步進電機力向的信號。它能根據絕對位置或相對位置兩種模式調節步進電機。該模塊在循環任務中調用。需注意，該模塊只能在程序的一個地方調用，否則不同程序部分調用同一硬件可能引起沖突。

　　功能模塊LTXPestXO可對包括步進電機起／停時的最小速度和最大速度、步進電機升速時的加速度和減速時的加速度、絕對目標位置和相
對目標位置等眾多參數進行設置，使得PCC與步進電機配合使用非常靈活且功能強大，從而實現對步進電機及驅動器的良好控制。

　　3 應用
　　目前已有多臺步進式PCC調速器已在四川越西鐵馬二級電站、四川飛羅電站等水電站投入運行。經對四川越西鐵馬二級電站2 號機組調節系統進行全面的靜動態特性試驗，其結果表明，性能指標已滿足或優于國標GB/T9652.1一1997的要求，其中主要特性試驗結果：① 調速器轉速死區小于0.04 %；② 甩25%額定負荷，接力器不動時間為0.16s；③ 甩100%額定負荷時，轉速最大上升為額定轉速的118% ，調節時間為19s；④ 空載時擾動量取8% ，選若干組參數進行試驗比較，當Kp＝1.7 , Kz＝0.32, KD= 1.7 時比較理想，擾動后調節時間較短，接力器擺動一次，且機頻超調小。

　　4 結束語
　　將PCC控制步進電機用于水輪機調節系統，數十座電站的運行結果表明，其設計合理，運行狀況良好，將步進電機用于水輪機調速器中，有效地解決了以往調速器存在可靠性低的問題，簡化了調速器結構并降低了造價，完全能滿足水輪機調速器動靜態的要求，具有很高的可靠性。

　　參考文獻
　　[1] 齊蓉.新一代可編程計算機控制器技術[M]. 西安：西北大學出版社，2000.
　　[2] OEM75O Driver User Guide[Z].Parker Hannifin Corporation,1997.
　　作者簡介：何躍貴（1965）男，云南人，高級工程師，研究方向為電力電子技術。