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(jì)算機(jī)控制器（PCC）。無論是PLC還是它的升級(jí)產(chǎn)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(diǎn)：① PCC已經(jīng)采用了多任務(wù)操作系統(tǒng)；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(yè)控制開發(fā)的高級(jí)語言，它比通用的高級(jí)語言，如C 語言更適用于工業(yè)控制，更易于編程；③ PCC可以支持多個(gè)主CPU同時(shí)工作，而且還具有智能處理器，如專門的時(shí)間處理單元守（TPU）。綜上所述可看出，PCC在很多方面突破傳統(tǒng)，在PLC中引入了新的思想和編程思想，更易于實(shí)現(xiàn)日趨復(fù)雜的控制要求[1]。步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，實(shí)現(xiàn)PCC控制的步進(jìn)電機(jī)具有很大的實(shí)用價(jià)值。
　　2 步進(jìn)電機(jī)的控制
　　步進(jìn)電機(jī)的性能對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的意義，在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮步進(jìn)電機(jī)的步距角、細(xì)分?jǐn)?shù)、保持力矩等，使調(diào)速系統(tǒng)具有高的可靠性。
　　在步進(jìn)式PCC調(diào)速器中，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)相適應(yīng)的脈沖，再經(jīng)過功率放人驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；后者，由PCC完成脈沖生成并輸出步進(jìn)脈沖和方向控制信號(hào)，再由硬件或其他裝置（如步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）實(shí)現(xiàn)脈沖分配和功率放大。采用直接控制方式時(shí)，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)頻率由高速任務(wù)組的掃描周期決定，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)頻率愈高，則要求高速任務(wù)組的掃描周期愈短，這樣，占用CPU的時(shí)間就愈長(zhǎng)；采用間接控制方式時(shí)，其功能由TPU完成，不占用CPU 資源；脈沖分配由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jìn)式PCC調(diào)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(jìn)電機(jī)為例，采用間接控制方式的控制結(jié)構(gòu)。在PCC間接控制方式下，方向控制信號(hào)根據(jù)控制量增量值的正負(fù)確定，輸出脈沖信號(hào)經(jīng)過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器完成脈沖的分配，使步進(jìn)電機(jī)按照所要求的力向和位移量或角度轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 兩相步進(jìn)電機(jī)PCC控制電路
　　步進(jìn)電機(jī)選用美國(guó)Palker 公司的OEM83 一135 , 驅(qū)動(dòng)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(shù)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(shù)字量輸出模塊輸出步進(jìn)脈沖信號(hào)和方向控制信號(hào)，送入OEM750 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的相應(yīng)端口， 由OEM750 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生與步進(jìn)電機(jī)相適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。在PCC 內(nèi)部控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)通過調(diào)用TPU功能塊LTXPestXO 產(chǎn)生，該模塊專門為步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)，具有與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相適應(yīng)的兩個(gè)輸出信號(hào)，即步進(jìn)脈沖信號(hào)和方向電平信號(hào)。PCC 輸出的步進(jìn)脈沖信號(hào)用于控制步進(jìn)電機(jī)的位置和速度。也就是說，驅(qū)動(dòng)器每接受一個(gè)脈沖就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，改變脈沖頻率，則同時(shí)使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變，控制脈沖的個(gè)數(shù)，則可使步進(jìn)電機(jī)精確定位，以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速和定位的目的。PCC輸出方向的控制信號(hào)用于控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，此端為高電平時(shí)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
　　2 .1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
　　OEM75驅(qū)動(dòng)器具有分辨率、靜態(tài)鎖定電流、最大驅(qū)動(dòng)電流等參數(shù)設(shè)置以及升降速控制等功能，并具有使用方便、安個(gè)可靠等許多優(yōu)點(diǎn)。
　　分辨率（步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一圈的步數(shù)）的設(shè)置可多達(dá)16 級(jí)，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(shè)置時(shí)，可通過對(duì)該驅(qū)動(dòng)器上的開關(guān)2 的2 到5 位進(jìn)行。在PCC調(diào)速器中選取每圈步數(shù)為1000步，這樣步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.36度 ，完全滿足了調(diào)速系統(tǒng)的要求，同時(shí)由于驅(qū)動(dòng)器采用了細(xì)分技術(shù)，因此對(duì)步進(jìn)電機(jī)的低頻震顫也起到了很好的阻尼作用，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
　　步進(jìn)電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的靜態(tài)鎖定電流有4 種不同的電流等級(jí)可供選擇。由于PCC 調(diào)速器中的鎖定力矩較小，故選取靜態(tài)鎖定電流為最大驅(qū)動(dòng)電流的25 % ，以降低步進(jìn)電機(jī)溫升并延長(zhǎng)其壽命。
　　為使電機(jī)能有最大力矩又不引起電機(jī)的振蕩和噪音，在PCC調(diào)速器中將最大驅(qū)動(dòng)電流設(shè)置為7.5A , 供電電壓為24v 。電流環(huán)增益按下式計(jì)算：
　　Ki= 364 000 LM／U
　　式中 LM——-電機(jī)電感（H） U——-電源電壓
　　需注意，當(dāng)電機(jī)需要改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，必須使改變方向的控制電平信號(hào)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(gè)時(shí)間處理單元，主要用于外部處理事件計(jì)數(shù)、門電平時(shí)間測(cè)量、頻率測(cè)量、脈寬調(diào)制等與時(shí)間有關(guān)的任務(wù)（timing tasks ） ，縮短CPU 模塊為處理這些任務(wù)調(diào)用中斷服務(wù)程序所占用的時(shí)間。TPU功能模塊包含TPU操作系統(tǒng)、TPU 配置、完成特定功能的TPU 程序模塊等，應(yīng)用程序通過它與TPU通訊傳遞參數(shù)和數(shù)據(jù)，該功能模塊由B&R公司專門研制的TPU 編碼連接器產(chǎn)生，并在CPU 熱啟動(dòng)（warm start）時(shí)，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(jìn)電機(jī)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(gè)TPU 輸出通道，第一通道為控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)，第二通道為控制步進(jìn)電機(jī)力向的信號(hào)。它能根據(jù)絕對(duì)位置或相對(duì)位置兩種模式調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)。該模塊在循環(huán)任務(wù)中調(diào)用。需注意，該模塊只能在程序的一個(gè)地方調(diào)用，否則不同程序部分調(diào)用同一硬件可能引起沖突。
　　功能模塊LTXPestXO可對(duì)包括步進(jìn)電機(jī)起／停時(shí)的最小速度和最大速度、步進(jìn)電機(jī)升速時(shí)的加速度和減速時(shí)的加速度、絕對(duì)目標(biāo)位置和相
對(duì)目標(biāo)位置等眾多參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，使得PCC與步進(jìn)電機(jī)配合使用非常靈活且功能強(qiáng)大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的良好控制。
　　3 應(yīng)用
　　目前已有多臺(tái)步進(jìn)式PCC調(diào)速器已在四川越西鐵馬二級(jí)電站、四川飛羅電站等水電站投入運(yùn)行。經(jīng)對(duì)四川越西鐵馬二級(jí)電站2 號(hào)機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行全面的靜動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，其結(jié)果表明，性能指標(biāo)已滿足或優(yōu)于國(guó)標(biāo)GB/T9652.1一1997的要求，其中主要特性試驗(yàn)結(jié)果：① 調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)小于0.04 %；② 甩25%額定負(fù)荷，接力器不動(dòng)時(shí)間為0.16s；③ 甩100%額定負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)速最大上升為額定轉(zhuǎn)速的118% ，調(diào)節(jié)時(shí)間為19s；④ 空載時(shí)擾動(dòng)量取8% ，選若干組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)比較，當(dāng)Kp＝1.7 , Kz＝0.32, KD= 1.7 時(shí)比較理想，擾動(dòng)后調(diào)節(jié)時(shí)間較短，接力器擺動(dòng)一次，且機(jī)頻超調(diào)小。
　　4 結(jié)束語
　　將PCC控制步進(jìn)電機(jī)用于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，數(shù)十座電站的運(yùn)行結(jié)果表明，其設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行狀況良好，將步進(jìn)電機(jī)用于水輪機(jī)調(diào)速器中，有效地解決了以往調(diào)速器存在可靠性低的問題，簡(jiǎn)化了調(diào)速器結(jié)構(gòu)并降低了造價(jià)，完全能滿足水輪機(jī)調(diào)速器動(dòng)靜態(tài)的要求，具有很高的可靠性。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1] 齊蓉.新一代可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)[M]. 西安：西北大學(xué)出版社，2000.
　　[2] OEM75O Driver User Guide[Z].Parker Hannifin Corporation,1997.
　　作者簡(jiǎn)介：何躍貴（1965）男，云南人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。