磁栅位移传感器在步进电机控制系统中的应用

磁栅位移传感器在步进电机控制系统中的应用

摘要: 介绍了磁栅位移传感器的结构及其工作原理, 详述了磁栅传感器在塑壳式断路器智能测控系统中的应用, 由步进电机、磁栅位移传感器、西门子 PLC 组成的控制系统实现了对步进电机的闭环控制, 提高了步进电机的控制精度, 降低了控制系统的成本, 在现场中取得了良好的控果。

关键词: 磁栅位移传感器; 步进电机; PLC; 闭环控制

1.引言

步进电机是一种离散运动装置, 它和现代数字控制技术有着密切的联系。在目前国内的数字控制系统中, 步进电机的应用十分广泛。但传统的步进电机的控制方式为开环控制, 启动频率过高或负载过大, 易出现丢步或堵转的现象, 停止时转速过高易出现过冲的现象, 为保证其控制精度, 应处理好升、降速问题。针对步进电机控制中丢步或失控的情况, 采用磁栅位移传感器作为位置检测装置, 通过检测步进电机的位移, 并把位移信号转换为脉冲信号反馈给PLC 实现闭环控制, 使步进电机的控制性能达到和交流伺服电机一样的控制效果, 同时降低了控制系统的成本。

2. 磁栅位移传感器的结构和工作原理

2.1 结构及工作原理

磁栅位移传感器利用磁栅与磁头的磁作用进行测量。它是一种新型的数字式传感器利用磁栅与磁头的磁作用进行测量, 成本较低且便于安装和使用。当需要时, 可将原来的磁信号 (磁栅 )抹去, 重新录制。还可以安装后再录制磁信号, 这对于消除安装误差以及提高测量精度都是十分有利的。可以采用激光定位录磁, 因而精度较高, 可达0. 01 mm /m分辨率为 1~ 5 m。磁栅位移传感器由磁栅尺、磁头和检测控制电路组成。磁栅尺是由在不导磁材料制成的基上镀一层均匀的磁膜, 录上间距相等、极性正负交错的磁信号栅条制成的。图1中 NN 和 SS分别为正负极性的栅条。磁头有动态磁头 (速度响应式磁头 )和静态磁头 (磁通响应式磁头 )两种。动态磁头绕组, 它与磁栅尺相对静止时也能有信号输出。静有一个输出绕组, 只有在磁头和磁栅尺产生相对运动时才能有信号输出。静态

磁头有激磁和输出两个芯。态磁头是用铁镍合金片叠成的有效截面不等的多间隙铁芯。激磁绕组的作用相当于一个磁开关。当它加以交流电时, 铁芯截面较小的那一段磁路每周两次被激励而产生磁饱和, 使磁栅尺所产生的磁力线不能通过铁芯。只有当激磁电流每周两次过零时, 铁芯不被饱和, 磁栅尺的磁力线才能通过铁芯。位移的数字输出精度。静态磁头总是成对使用, 其间距为 (m + 1 /4 )通过鉴相电路或鉴幅电路处理后可获得正比于被测头的激励电流或相位相同, 或相差 n /4。输出信号, 其中 m 为正整数, 为磁栅尺栅条的间距。两磁此时输出绕组才有感应电势输出。其频率为激磁电流频率的两倍, 输出电压的幅度与进入铁芯的磁通量成正比, 即与磁头相对于磁栅的位置有关。磁头制成多间隙的是为了增大输出, 而且其输出信号是多个间隙所取得信号的平均值, 因此可以提高输出。

图1

2.2 磁栅的测量方式

磁栅的测量方式有鉴幅测量和鉴相测量两种方式。鉴幅测量方式检测线路比较简单, 但分辨率受到录磁节距的限制, 若要提高分辨率就必须采用。得到输出电压为较复杂的信频电路, 所以不常采用。采用相位检测的精度可以大大高于录磁节距并可以通过提高内插脉冲频率以提高系统的分辨率。将图 1中一组磁头的励磁信号移相 90 , 则得到输出电压为：

U1=U0sin2xcost

U2=U0cos2xsint

在求和电路中相加, 得到磁头总输出电压为

U=U0sin（t+2x）

式中: U0 为输出电压系数;距; x 为磁头相对磁尺的位移;为磁尺上磁化信号的节为励磁电压的角频率由上式可知, 合成输出电压 U 的幅值恒定, 而相位随磁头与磁尺的相对位置 x 变化而变。根据PLC 脉冲计数器读出输出信号的相位, 就可确定磁头的位置。

3.软件设计

系统编程环境是在西门子 STEP7- M icro /W in下, 软件流程如图 2所示: 先对步进电机以及高速脉冲计数器进行参数初始化, 在 STEP 7- M icro /W in 中集成了高速脉冲程序块, 很方便地对步进电机的脉冲周期、脉冲数及工作模式和高速计数器的工作模式、初始计数值进行初始化磁栅传感器的分辨率为 10 m, 即每读取 100 个脉冲步进电机相当于产生了 1 mm 的位移。根据磁栅传感器的分辨率以及步进电机的步距角来初始化高速计数器的计数初始值以及步进电机的脉冲周期, 同时要满足系统工作台的扫描区域的要求。

图 2

X轴步进电机参数初始化程序: LD SM 0. 0

MOVW 90, SMW 68

MOVW + 0, SMW 70

MOVW + 1000, SMW 72

MOV 16# 05, SMB67

PLS 0

Y轴步进电机参数初始化:

LD SM 0. 0

MOVW 90, SMW 78

MOVW + 0, SMW 80

MOVW + 1000, SMW 82

MOVB 16# 85, SM B77

PLS 1

Y轴高速计数器参数初始化: LD SM 0. 0

H DEF 0, 9

MOVB 16#E 8, SMB37

MOVD 1000, SMD38

MOVD + 2000, SMD42

H SC 0

X轴高速计数器参数初始化

LD SM 0. 0

H DEF 4, 9

MOVB 16#E 8, SMB147

MOVD 1000, SMD148

MOVD + 2000, SMD152

H SC 4

对步进电机参数初始化后, 进行激光扫描定位。X 轴、Y 轴步进电机根据设定的参数以及扫描方式进行定位扫描, 磁栅传感器实时把检测出的信号传递到高速计数器, 通过在程序中进行计算比较, 确定步进电机的扫描状态, 使步进电机完全处于闭环控制状态下。最后达到对塑壳式断路器双金属片上螺钉的精确定位。

4.结束语

在步进电机控制系统中引入磁栅位移传感器作为反馈单元, 解决了传统步进电机开环控制中常见的丢步或失控的问题, 提高了步进电机的控制精度。

参考文献：

[1]程步军, 林寥廓. PLC在位移测量与控制中的应用，控制系统, 2006

[2]西门子SIMAT IC S7- 200系统手册[ Z] . 2004

[3]张洪润，传感器原理及应用，磁栅传感器，清华大学出版社，2012。