２００９年第２期 工业仪表与自动化装置 ·５５· 磁栅位移传感器在步进电机控制系统中的应用 司海立 ，程武山 ，孙鑫 ，董林 （１．上海大学机电工程与自动化学院，上海２０００７２；２．上海工程技术大学机械学院，上海２０１６２０） 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制效果。 关键词：磁栅位移传感器；步进电机；ＰＬＣ；闭环控制 中图分类号：ＴＰ２１２．１３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００—０６８２（２００９）０２—００５５—０３ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇｒｉｄ ｓｅｎｓｏｒ ｉｎ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓＩ Ｈａｉｌｉ ，ＣＨＥＮＧ Ｗｕｓｈａｎ ，ＳＵＮ Ｘｉｎ ，ＤＯＮＧ Ｌｉｎ （１．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇｒｉｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｉｒｓｔ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｆｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇｒｉｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｕｌｄ ｃａｓｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ ｉｓ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔ ｉｎ ｄｅｔａｉｌｓ，ｔｈｅ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｃｏｍｐｏｓｅｓ ｔｈｅ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｍｏｔｏｒ，ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇｒｉｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ＰＬＣ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎ— ｔｒｏｌｌｅｄ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｍｏｔｏｒ，ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｅｌｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ａｃｈｉｅｖｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇｒｉｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ；ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ；ＰＬＣ；ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏ 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 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。 当需要肘，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 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。 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栅基上镀 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Ｎ Ｊ Ｎ和ｓ Ｊ ｓ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 有一个输出绕组，只有在磁头和磁栅尺产生相对运 １磁栅位移传感器的结构和工作原理 １．１结构及工作原理 动时才能有信号输出。静态磁头有激磁和输出两个 绕组，它与磁栅尺相对静止时也能有信号输出。静 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。当对 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。 磁栅位移传感器利用磁栅与磁头的磁作用进行 收稿日期：２００８—０４—１６ 基金项目：上海市科委重点攻关项目（０７１１０５１２１） 作者简介：司海立（１９８２），男，硕士研究生，主要从事过程控制 与智能控制的研究。 ５６· 工业仪表与自动化装置 ２００９年第２期 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 精度。静态磁头总是成对使用，其间距为（ｍ＋１／４） Ａ，其中ｍ为正整数，Ａ为磁栅尺栅条的间距。两磁 头的激励电流或相位相同，或相差ｎ／４。输出信号 通过鉴相电路或鉴幅电路处理后可获得正比于被测 位移的数字输出 Ｊ。 ＳｉＳ Ｎ ——ＳＩＳ——ＮＩＮ ＳＩｓ ＮＩＮ 滋头 … 目／目Ｕ 目． 目 ｌ ｜｜｜ｔ＿｜、 ｔ －ｌ ／｜ｌＩ ｌｌ■／ｌ＇／、｜／ Ｉ ｌ１ ｆ２ 检钡 控制电路 图１ 磁栅传感器的结构原理图 １．２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Ａ的，若要提高分辨率就必须采用 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 Ａ，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 ，）一 ＝ ｓｉｎ ｃｏｓｏ）ｔ （１） ＾ ＇一 ＝ ｃｏｓ ｓｉｎｔｏｔ （２） ／Ｉ． 在求和电路中相加，得到磁头总输出电压为 ＝ ｎ（ ） （３） 式中： 为输出电压系数；Ａ为磁尺上磁化信号的节 距； 为磁头相对磁尺的位移；ｏ９为励磁电压的角频率。 由上式可知，合成输出电压【，的幅值恒定，而 相位随磁头与磁尺的相对位置 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 ｊ。 ２步进电机在塑壳式断路器测试系统中的 应用 在研制的塑壳式断路器智能测试系统的应用中， 为了使带有螺丝刀头的一体化螺钉螺母调整机构能 够精确的对塑壳式断路器双金属片上的外六角型螺 钉和螺母同时调整，在控制系统中采用激光测距定位 系统，由数控工作台对外六角螺钉进行ｘ、Ｙ轴激光 扫描，ｘ、Ｙ方向磁栅尺直接固定安装在数控台上，磁 头可随着导轨移动，当数控台上的激光传感器进行扫 描时，磁栅传感器对步进电机的位移进行计数，通过 ＰＬＣ内部计算可以精确计算出螺钉中心的位置。系 统组成如图２所示，磁栅传感器选择了高精度的ＭＴＳ Ｐ型，其分辨率为１０ ｍ，步进电机为两相混合式步进 电机并配有高达２００细分的白山驱动器，ＰＬＣ采用的 是西门子ｓ７—２００系列ＣＰＵ ２２４ ＣＮ ＸＰ。 ｘ轴磁栅传感器 ｘ轴 ｆｘ轴磁栅计数—— ｌｆ Ｆ ｌ＝二二二一、＝＝二二／ Ｔ 翟 脉冲值设定 ｆＬＹ轴磁栅计数． Ｉ 兰塑壁塑堡壁墨卜—— 二＝一图２系统组成方框图 西门子Ｓ７—２００系列２２４ ＣＰＵ ＣＮ ＸＰ集成了两 路的高速脉冲输出通道分别为Ｑｏ．０和Ｑｏ．１，最大 输出频率高达１００ ｋＨｚ，完全可以满足为步进电机 驱动器提供高速脉冲，以及高速计数器对磁栅传感 器反馈过来的脉冲信号进行计数 Ｊ。通过内部程 序设定ｘ、Ｙ轴步进电机脉冲值，ＰＬＣ把脉冲输出给 电机驱动器，以驱动步进电机运动，磁栅传感器根据 检测步进电机的位移，产生Ａ、Ｂ双向脉冲信号，传 到ＰＬＣ高速计数通道，从高速计数器读取的值与程 序设定的脉冲值进行比较求得偏差，根据这个偏差 实现了对步进电机的闭环控制。 ＭＴＳ Ｐ型磁栅传感器双向脉冲信号输出示意图 如图３所示。Ａ、Ｂ为磁栅传感器的脉冲输出信号， ｚ为计数清零信号。ｓ７—２００系列ＰＬＣ可以提供 ＨＳＣＯ～ＨＳＣ５下６种高速计数器，最多可以配置１２ 种工作模式，端口集中在ＣＰＵ的１０．０一ＩＯ．５上，而 且这６种计数器的输入共用这些端口，但是当一个 输入口被另外一个高速计数器所占用，这个端口就 不能作为其他模式下的高速计数器端口。为了满足 系统的要求以及充分利用这些高速计数器输入端 口，ｘ轴磁栅传感器选择ＨＳＣ４，工作模式为９，其输 入端口为Ａ—１０．３，Ｂ—１０．５；Ｙ轴磁栅传感器选择 ＨＳＣ０，工作模式为９，其输人端口为Ａ—１０．０，Ｂ— １０．２。ＰＬＣ高速脉冲计数器计数方式为４倍频计数， 可以实现正反向计数功能。 ２００９年第２期 工业仪表与自动化装置 ·５７· Ａ Ｂ ｚ ｒ一１ 图３磁栅输出信号的示意图 ３系统软件设计 系统编程环境是在西门子ＳＴＥＰ７一Ｍｉｃｒｏ／Ｗｉｎ 下，软件流程如图４所示：首先对步进电机以及高速 脉冲计数器进行参数初始化，在ＳＴＥＰ７一Ｍｉｃｒｏ／Ｗｉｎ 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 Ｊ。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４软件流程图 ｘ轴步进电机参数初始化程序： ＬＤ ＳＭ０．０ ＭＯＶＷ ９０．ＳＭＷ６８ Ｍ０ＶＷ ＋０。ＳＭＷ７０ ＭＯＶＷ ＋１０ｏ０．ＳＭＷ７２ ＭＯＶ ｌ６｝｝０５．ＳＭＢ６７ ＰＬＳ ０ Ｙ轴步进电机参数初始化： ＬＤ ＳＭ０．Ｏ ＭＯＶＷ ９０．ＳＭＷ７８ ＭＯＶＷ ＋０．ＳＭＷ８０ ＭＯＶＷ ＋１Ｏ０ｏ．ＳＭＷ８２ ＭＯＶＢ １６＃８５．ＳＭＢ７７ ＰＬＳ １ Ｙ轴高速计数器参数初始化： ＬＤ ＳＭ０．０ ＨＤＥＦ ０．９ ＭＯＶＢ １６＃Ｅ８．ＳＭＢ３７ ＭＯＶＤ １Ｏｏｏ．ＳＭＤ３８ ＭＯＶＤ ＋２０００．ＳＭＤ４２ ＨＳＣ ０ ｘ轴高速计数器参数初始化： ＬＤ ＳＭ０．Ｏ ＨＤＥＦ ４．９ ＭＯＶＢ １６＃Ｅ８．ＳＭＢ１４７ ＭＯＶＤ ｌＯｏ０．ＳＭＤ１４８ ＭＯＶＤ ＋２０ｏ０．ＳＭＤ１５２ ＨＳＣ 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。 该方案已经应用在了所研制的塑壳式断路器智能测 试系统中，并在现场取得了良好的控制效果。 参考文献： ［１］程步军，林寥廓．ＰＬＣ在位移测量与控制中的应用 ［Ｊ］．控制系统，２００４，（１）：６１—６２． ［２］ 陶小春．磁栅位置检测系统工作原理及结构特点［Ｊ］． 煤矿机械，１９９８，（３）：３３—３４． ［３］西门子ＳＩＭＡＴＩＣ ｓ７—２００系统手册［Ｚ］．２００４． ［４］朱希余，金霄兵．塑壳断路器特性与自动检测［Ｊ］．电 工技术，２００２，（２）：２４—２６．
