基于步进电机的网络化运动控制系统设计研究
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摘 要：基于步进电机网络化运动控制系统可以实现加速器两种工作模式的切換。带高进度编码器可以实现步进电机驱动转换，从而完成不同工作设备的切换操作。本文主要对基于步进电机网络化运动控制系统的设计原理进行分析，并在此基础上，提出了基于步进电机网络化运动控制系统的设计方案。
关键词：运动控制;控制系统;步进电机;主站设计
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.23.076
0 引言
步进电机可以实现脉冲信号转化为位移执行单元，且在实际的操作中，不需要编码器，而是采用开回路控制的方法，严格地按照比例追随脉搏信号转动，并且可以准确地计算出脉冲频率和脉冲数，发出脉冲信号。此种模式下，可以对电机的位置和速度进行精准控制，且不会受到负载变化的影响，具有较强的稳定性与可靠性。
1 基于步进电机网络化运动控制系统的设计原理
1.1 控制系统建模分析
步进电机系统中的电机模型构建较为复杂，且电机本身具有磁导、涡流和磁带分布的非线性因素[1]。所以在进行线性化处理的过程中，可以使用Te表示静态整步转矩，表达方式为：
T
公式当中的ke表示的是电机结构有关的常数，θ0表示的是步进电机实际输出转角，θi表示的是给定目标的位置。
当步进电机运动到目标位置之后，绕组上的电压会变为0，此种情况下：
公示当中的i表示的是励磁绕组的电流、R表示的是励磁绕组的电压、ke表示的是电机结构有关的常数;ωm表示的是电机转动角的速度。
1.2 运动算法理论分析
步进电机常见的加速曲线和减速曲线包括了梯形、S型、指数型等三种不同的加减速类型。在进行运动控制系统优化设计的过程中，可以使用STM32系统，通过控制脉冲输出频率的方式，实现步进电机S型加减速系统控制。通常情况下，步进电机的运行频率为100Hz至1000Hz，并且在启动时的频率会明显高于运行时的频率。运动基本原理为：步进电机启动后，以100Hz频率开始工作，通过改变微处理器定时器的方式，实现步进电机驱动脉冲频率的控制，输出的脉冲可以按照合适的频率实现加减速曲线升频和降频。
2 基于步进电机网络化运动控制系统的设计方案
2.1 总体方案
此次基于步进电机网络化运动控制系统方案设计主要是针对传统控制系统无法实现标准化网络化建构的问题而进行了一种系统网络运动控制系统。传统系统设计工作中，不具备资源共享能力，因而急需一种网络化的控制系统，对整个系统架构进行管理。在此环节中，可以使用一台PC终端机进行控制，同时应用modbus协议，完成网络传输。使用一台计算机就可以同时控制多个不同的步进驱动器，且在此环境中每一个驱动器都可以独立工作，且互相之间不会存在干扰问题[2]。从物理层面进行分析，在构建基于步进电机网络化运动控制系统时，要确定何种通讯接口比较适合该系统，通常情况下，可供选择的接口包括了USB、现场总线、RS422、RS485等多种不同形式。在进行总线设计中，要明确不同接口的优势和不足。比如，USB虽然灵活性强，但是传输距离受到限制，不能实现远距离传输。RS无法实现组网控制，传输距离较短，速度较慢。现场总线应用范围广，但是成本相对较高。
2.2 主站设计
在进行主站设计中，此次研究工作主要选择了一台PC机作为主站，并通过RS485总线和从站连接的方式，使用独立制作的软件完成测试，并进行相关数据读取，在完成基本操作之后，将指令发送到从机中，确保各个环节需要的功能得以满足。根据设计需求，使用LabVIEW软件，在完成上位机控制软件开发后，要进一步实现电机指令控制。在此环节中，要采用参数调节的方式，确保电流环测试、故障报警、数据寻出和梯形图显示等功能都可以正常运转。上位机软件能够实现多个步进驱动器动作的远程控制，从而确保各项功能都可以迅速实现。系统设计中，工作人员要在PC机上打开软件，用户使用选择从机地址，通过RS485总线和下位机建立相应的连接。当连接稳定后即可进入到工作模式。在工作模式中，用户可以从菜单栏当中调取自己需要的各项功能，主菜单下的子菜单都是独立的部分，不同的子VI都可以单独运行。当打开一个子VI时，系统默认自动读取其中的数据，之后会进入到循环等待，等待用户指令触发相应的任务。
2.3 从站设计
在进行基于步进电机网络化运动控制系统的从站设计中，可以使用modbus协议进行操作。此种设计模式相对简单，并且操作性较强。目前，该协议模式已经成为了工业控制器中的标准通信协议。在modbus框架中，主要是采用一问一答的通讯模式，当发出一次指令，会收到一次应答。此种方式能够提高网络通信领域信息传播的正确率，并且使用参数可以开辟固定的存储空间，在的上位机和下位机之间，构建单独的存储环节，实现指令控制。此次设计方案中使用的就是modbus协议模式，在协议框架中完成了上位机和下位机的通讯。在其中，初始结构设定为超过3.5倍字节的时间，数据区的字节数根据功能码的变化而变化。
3 总结
综上所述，一般来说，重离子加速器冷却存储环主要包括了多圈多次注入模式和剥离注入模式两种类型，不同的工作模式所需要对离子分离设备有所不同。基于步进电机网络化运动控制系统设计工作中，技术人员要明确了系统设计的基本原理，采用建模分析算法理论分析等方式，为后续的系统优化设计提供参考。
参考文献：
[1]刘必旺，陆晓昌.基于STM32和THB6064H的步进电机运动控制系统设计[J].江苏理工学院学报，2017，23（04）：84-90.
[2]王燕东.基于嵌入式实时系统的步进电机协同运动控制系统设计与实现[D].河北工业大学，2016.
作者简介：刘童越（1985-），男，辽宁沈阳人，本科，讲师，研究方向：机电设备控制。
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