Dieser Artikel stellt einen neuartigen Schrittmotor-Treiber vor. Dieser Treiber nutzt die Flexibilität der Mikrocontroller-Softwaresteuerung und den Komfort der SPS-ΔC-Gattersteuerung optimal aus und integriert das herkömmliche SPS-Schrittmotor-Steuermodul sowie die Antriebsstromversorgung in einer Einheit. Dadurch entsteht ein neuartiges Produkt zur Bewegungssteuerung. Schlüsselwörter: Schrittmotor, Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), Treiber. Traditionell wird bei der Steuerung von Schrittmotoren mit einer SPS ein dediziertes intelligentes Schrittmotor-Steuermodul an die SPS angeschlossen und anschließend mit der Antriebsstromversorgung verbunden. Auf dem Markt kostet eine SPS etwa 2000 Yuan, ein intelligentes Steuermodul ebenfalls 2000 Yuan und die Antriebsstromversorgung zusätzlich etwa 1500 bis 2500 Yuan. Dies ist für manche kleinere Steuerungsanwendungen zu teuer. Der in diesem Beitrag vorgestellte Treiber nutzt eine in einen Mikrocontroller integrierte Steuerungssoftware, empfängt OC-Gate-Informationen von der SPS und integriert das Schrittmotor-Steuermodul sowie die Antriebsstromversorgung in einer Einheit. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines separaten intelligenten Schrittmotor-Steuermoduls, was die Kosten deutlich senkt. Dieser Treiber eignet sich für verschiedene zweiphasige Schrittmotoren mit einem Strom von weniger als 3 A. I. Systemhardware: Das System arbeitet mit einem softwarebasierten, schleifengesteuerten Ansatz, wobei die meisten Aufgaben softwareseitig ausgeführt werden. Die Hardware-Schaltung ist sehr einfach. Eine typische Anwendung dieses Treibers ist die Regelung eines Schrittmotors im geschlossenen Regelkreis in Verbindung mit einer SPS. II. Funktionsprinzip: Herkömmliche SPS-Steuerungen verfügen über Eingänge über Open-Source-Gates oder Relais, selten über Hochgeschwindigkeits-Impulsausgänge, aber in der Regel über Impulszählschnittstellen. Durch die Nutzung dieser Eigenschaft lässt sich die Prozess- oder Positionssteuerung mechanischer Bewegungen einfach realisieren: Ein langes optisches Gitter zur Prozesssteuerung wird am mechanischen Bewegungsmechanismus angebracht. Ein Endschalter (mittels fotoelektrischer oder Hall-Effekt-Elemente) dient als mechanischer Nullpunkt. Die Richtung vom Endschalter weg entspricht der positiven Drehrichtung des Schrittmotors. Nach dem Einschalten bewegt sich der Schrittmotor zunächst auf den mechanischen Nullpunkt zu. Beim Erreichen des Endschalters wird der Zähler in der SPS automatisch auf Null zurückgesetzt. Zur Prozesssteuerung der mechanischen Bewegung wird das optische Gitter mit den vom Schrittmotor angetriebenen mechanischen Komponenten verbunden. Nach der Bestimmung der Impulsäquivalentwerte zwischen Schrittmotor und optischem Gitter lässt sich durch Programmierung der SPS eine schnelle und effiziente Prozesssteuerung erreichen. Beispielsweise beträgt der Impulsäquivalentwert eines Schrittmotors 0,1001 mm, und der entsprechende Rückkopplungsimpuls des Gitters wird ebenfalls so gewählt, dass jeder Impuls 0,1001 mm beträgt. Für jeden Schritt des Schrittmotors wird ein Gitterrückmeldesignal an die SPS gesendet und der Zähler um eins erhöht (oder verringert). Da dieser Schrittmotortreiber über sieben wählbare Geschwindigkeiten verfügt, können für verschiedene Bewegungszustände unterschiedliche Geschwindigkeiten gewählt werden. Sobald der Motor eine bestimmte Position erreicht hat, kann er gestoppt werden. Gleichzeitig bietet der Treiber integrierte Funktionen wie Frequenzrampensteuerung und Umschaltung zwischen Vollschritt- und Mikroschrittbetrieb, was die SPS-Steuerung sehr komfortabel macht. III. Systemsoftware Das Herzstück dieses Systems ist die Mikrocontroller-Software. Die Software besteht aus folgenden Hauptmodulen: Initialisierungsmodul: Löscht die im Programm benötigten Flags, ermittelt, ob der Motor gestartet werden muss, und setzt den Motor zurück. Eingangsmodul: Die CPU empfängt Pegelsignale von INT1 bis INT4. Frequenzrampenmodul: Dieses Modul umfasst zwei Submodule: eine Datentabelle für die Frequenzrampe und eine Nachschlagetabelle, die dem Zähler T0 Werte zuweisen. Es gewährleistet einen sanften und nahtlosen Übergang zwischen den beiden Frequenzen ohne Schrittverlust. Während des Frequenzrampenprozesses wird die Gleichung für die „optimierte Rampenkurve“ anhand der Motorparameter bestimmt. Detaillierte Erläuterungen finden Sie in anderen Quellen. Bei der Verarbeitung dieser Kurve wird eine Tabelle erstellt, die die Frequenz f für jedes Zeitinkrement t um Δt enthält. Eine entsprechende MCS-51-Assembler-Datentabelle (Anfangswert des Timers T0) wird generiert. Die Kurve wird durch Abfrage der Datentabelle angepasst, um den Rampenprozess zu optimieren. Vollschritt-/Mikroschritt-Umschaltmodul: Das Programm steuert den Motor mit sieben gängigen Frequenzen im Mikroschrittmodus, um den unterschiedlichen Anforderungen des Motors in verschiedenen Betriebszuständen gerecht zu werden. Die höchste Frequenz wird für den Vollschrittmodus eingestellt, wodurch der Motor im Leerlauf mit hoher Drehzahl laufen kann. Dieses Modul ist für die Umschaltung zwischen Vollschritt und Mikroschritt zuständig. Ausgabemodul: Dieses Modul umfasst zwei Submodule: Impulsschleifenteilung und Impulsausgabe der Impulsschleife (abgeschlossen durch T0-Interrupt). Dieses System ist für zweiphasige 20-Schritt-Motoren programmiert. Durch die Änderung dieses Moduls kann es auf zweiphasige Schrittmotoren mit verschiedenen Schrittzahlen angewendet werden. IV. Zusammenfassung: Im Vergleich zu herkömmlichen Treibern ersetzt dieser Steuerungstreiber die Hardware-Schrittmotorsteuerung und die Hardware-Impulsschleifen-Teilschaltung durch Software. Dies führt zu einer einfacheren Struktur und geringeren Kosten. Dank der Regelungstechnik ist er je nach Art und Genauigkeit des Positionssensors vielseitig einsetzbar, beispielsweise in Koordinatenmessgeräten und Längenkomparatoren. Referenzen: 1. Zhang Peiren, Liu Zhenan. *Kompletter Leitfaden zu MCS-Mikrocontroller-Anwendungen*, Kehai Training Center. 2. Sun Yucai. *Prinzipien und Anwendungen von Mikrocontrollern der MCS-51-Serie*. Nanjing Institute of Technology Press. Autorenadresse: Shanghai Tianren Automation Control Engineering Co., Ltd. Adresse: Raum C, 11. Etage, Hengfeng Road 600, Shanghai 200070, China. E-Mail: [email protected]