西門子PLC控制步進電機的設(shè)計

1、步進電機發(fā)展步進電機現(xiàn)狀自問世以來，步進電機很快確定了在開環(huán)高分辨率的定位系統(tǒng)中的主導(dǎo)地位。在工業(yè)技術(shù)高速發(fā)展的今天，還未有適合的取代產(chǎn)品出現(xiàn)。雖然步進電機已被廣泛應(yīng)用，但并不能像普通的直流電動機、交流電動機那樣在常規(guī)電氣控制中使用。它須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)，涉及很多機械與電氣控制方面知識。我國生產(chǎn)步進電機的廠家不少，但能自行開發(fā)研究的廠家卻較少，大部分廠家規(guī)模比較小。我國步進電機產(chǎn)品發(fā)展有自己的特點：20世紀80年代以前是以磁阻式步進電機為主，20世紀80年代后期開始發(fā)展混合式步進電機。產(chǎn)品從相數(shù)上分有二相、三相、四相、五相，從步距上分有/、/，從規(guī)格上分有40N.m

2、。從大功率驅(qū)動設(shè)備市場上，大扭矩步進電機沒有市場，無論是在經(jīng)濟上、噪聲、加速度、系統(tǒng)慣量、最大扭矩等方面，都不如采用伺服電動機或是直流電動機加編碼器好。步進電機主要是應(yīng)用在小功率場合。總的來說，步進電機是一種簡單的開環(huán)控制，不適合在大功率場合使用。具體的應(yīng)用場合如下：(1) 經(jīng)濟型數(shù)控機床，如數(shù)控雕刻機、數(shù)控磨床，數(shù)控銑镋床等。(2) 工業(yè)生產(chǎn)裝備，如連續(xù)式、間歇式包裝機，機械手等。(3) 工業(yè)器材方面，如拿放裝置、性能測試裝備等。(4) 小型自動化辦公設(shè)備，如啟動打標機、貼標機、割字機、激光打標記繪圖儀等。步進電機發(fā)展趨勢步進電機今后繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動機本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及

3、各類整機的不斷小型化，要求與之配套的電動機也必須越來越小，在57、42機座號的電動機應(yīng)用了多年后，現(xiàn)在其機座號向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近還研制出外徑僅10mm的步進電動機。除了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)步進電機，線性步進電機近些年來發(fā)展也很快，它減少了零部件，幾乎沒有磨損或維修，并且易于結(jié)合機器使用，非常適合在輕負載的情況下使用。步進電機控制原理在計算機控制系統(tǒng)中，步進電機是一種非常重要的自動化執(zhí)行元件，它能將電脈沖轉(zhuǎn)化為電動機軸的角位移。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號, 它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”), 當步進驅(qū)動器一個一個地接收到若干個脈

4、沖時，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。因此，可以通過控制進給脈沖的個數(shù)來控制電動機的角位移量, 從而達到準確定位的目的步進電機基本工作原理步進電機的定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成的。定子的每對極上都繞有一對繞組，構(gòu)成一相繞組，共三相稱為A、B、C三相。圖4_1 步進電機線圈繞組在定子磁極和轉(zhuǎn)子上都開有齒分度相同的小齒，采用適當?shù)凝X數(shù)配合,當A相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒一一對應(yīng)時，B相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒相互錯開1/3齒距，C相則錯開2/3齒距。如圖所示 圖4_2電機齒輪上圖中，A相繞組與齒1、5一一對應(yīng)，而此時B相繞組與齒2錯開1/3齒距，而與齒3錯開2/3齒距，C相繞組與齒3錯開2

5、/3齒距，而與齒4錯開1/3齒距。 電機的位置和速度由繞組通電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由繞組通電的順序決定。步進電機一些基本參數(shù)(1) 電機固有步距角°°°°) , 這個步距角可以稱之為電機固有步距角, 它不一定是電機實際工作時的真正步距角,真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。(2) 步進電機的相數(shù)°°°°°°。在沒有細分驅(qū)動器時, 用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器, 則相數(shù)將變得沒有意義, 用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù), 就可以改變步距角。(3

6、)保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時, 定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一, 通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減, 輸出功率也隨速度的增大而變化, 所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如, 當人們說2N.m 的步進電機, 在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。（4）啟動頻率（fq0）空載時，步進電動機由靜止突然啟動，并進入不丟步的正常運行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率，用fq表示。若啟動時頻率大于突跳頻率，步進電動機就不能正常啟動。Fq與負載慣量有關(guān)，一

7、般說來隨著負載慣量的增長而下降?？蛰d起動時，步進電動機定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。步進電機細分驅(qū)動技術(shù)步進電機的運行需要各相電流滿足一定的時序要求, 而電磁力的大小與繞組通電電流的大小有關(guān), 如果繞組中電流不再是方波, 而是一個分成個臺階的近似階梯波, 電機每運行一個階梯即轉(zhuǎn)動一步。當轉(zhuǎn)動小步時, 實際上相當于轉(zhuǎn)過一個步距角, 這就是所謂的細分。以二相步進電機為例式（1）、式（2）為A、B相電流公式, 式(3)、式(4)則為分別的力矩。這里是轉(zhuǎn)矩的常量, 矢量合成式（3）、式（4）得到 可見, 細分前后合成力矩并沒有變化, 但是電機運行的平穩(wěn)性卻增加了。圖1-3的上半部分為整

8、步運行下的A、B兩相的電流圖?？梢钥闯?、2、3、4點的合成力矩相等, 但是連續(xù)性不好, 尤其在低頻運行時會有明顯的振動。而經(jīng)過細分的則不同, 如圖下半部分所示, 將整步的一拍分成了四步來完成, 即四細分。每一微步的電流合成大小都一樣, 這樣使得每一步過渡更加平穩(wěn), 有效抑制了振動, 并減少了失步。圖4_3 步進電機細分技術(shù)由此可見，細分驅(qū)動能極大地改善步進電機運行的平穩(wěn)性,近幾年來由于微處理機技術(shù)的發(fā)展, 細分技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。高速脈沖產(chǎn)生與高速計數(shù)功能西門子S7-300 PLC中的CPU312C、CPU313C、CPU313-2DP等型號，集成有用于高速計數(shù)以及高頻脈沖輸出的通道，可用于

9、高速計數(shù)或高頻脈沖輸出。該類型PLC有3個用于高速計數(shù)或高頻脈沖輸出的特殊通道，3個通道位于CPU313C集成數(shù)字量輸出點首位字節(jié)的最低三位，這三位通常情況下可以作為普通的數(shù)字量輸出點來使用。再需要高頻脈沖輸出時，可通過硬件設(shè)置定義這三位的屬性，將其作為高頻脈沖輸出通道來使用。設(shè)置硬件通道為普通數(shù)字量輸出點使用時，其系統(tǒng)默認地址為Q124.0、Q124.1、Q124.2（可自行修改），作為高速脈沖輸出時，對應(yīng)的通道分別為0通道、1通道、2通道（通道號為固定值，不能自行修改）。每一通道都可輸出最高頻率為2.5KHZ（周期為0.4ms）的高頻脈沖。步驟1：雙擊“Hardware”,進入硬件組態(tài)界面

10、圖4_4 硬件組態(tài)界面步驟2：雙擊“Count”,打開通道設(shè)置對話框圖4_5 通道設(shè)置對話框步驟3：選擇“Channel_1“Operating”選擇為“pulse width modulation”圖4_6 選擇產(chǎn)生脈沖步驟4：選擇產(chǎn)生脈沖的周期、延遲產(chǎn)生的參數(shù)等。圖4_7 設(shè)置脈沖參數(shù)單擊“OK完成配置。下面對高速計數(shù)通道進行配置，和前面一樣的內(nèi)容不進一步介紹，下面主要對不同的設(shè)置做出說明。具體過程如下：步驟1：選擇通道0，選擇連續(xù)計數(shù)功能。圖4_8 高速計數(shù)選擇界面步驟2：打開計數(shù)選項卡圖4_9 計數(shù)參數(shù)設(shè)置單擊 “OK”完成設(shè)置。這樣，硬件的配置就完成了。但是，除了硬件的配置外，還要進

11、行軟件的研究，下面就會對西門子S7-300PLC的脈沖產(chǎn)生與計數(shù)進行分析。系統(tǒng)功能塊SFB49選中項目下最后一級子菜單Blocks，并雙擊Blocks中的OB1進入程序編輯器，在OB1中，調(diào)用SFB49。過程如下：在指令集工具中，找到library（庫）->standard library（標準庫）->system Function Blocks（系統(tǒng)功能塊）菜單，并雙擊該菜單下的系統(tǒng)功能塊SFB49進行調(diào)用圖4_10 系統(tǒng)功能塊SFB49部分參數(shù)含義：參數(shù)符號地址/類型含義其它CHANNELDBW2/INT通道號SW_EN軟件控制門OUTP_VALDBW6/INT脈沖占空比設(shè)置系

12、統(tǒng)功能塊SFB47選中項目下最后一級子菜單Blocks，并雙擊Blocks中的OB1進入程序編輯器，在OB1中，調(diào)用SFB47。過程如下：在指令集工具中，找到library（庫）->standard library（標準庫）->system Function Blocks（系統(tǒng)功能塊）菜單，并雙擊該菜單下的系統(tǒng)功能塊SFB47進行調(diào)用圖4_11系統(tǒng)功能塊SFB47部分參數(shù)含義：參數(shù)符號地址/類型含義其它CHANNELDBW2/INT通道號SW_GATE高速計數(shù)軟件控制門JOB_REQ寫請求JOB_IDDBW6/WORDJOB_VALDBD8/DINTCOUNTVALDBD14/DI

13、NT計數(shù)值兩通道均采用軟件門控制，這樣可以較為容易利用軟件實現(xiàn)。步進電機控制方案設(shè)計使用PLC控制步進電機時，可使用PLC產(chǎn)生控制步進電機所需要的各種時序的脈沖?？刂乒に囂岢龈鶕?jù)波峰焊接機構(gòu)對助焊劑泵運動的要求，提出以下的控制工藝，主要是要能根據(jù)PCB板確定泵移動的范圍，不能有累積誤差，因此用步進電機可以很好的實現(xiàn)這種控制要求。圖4_12 步進電機控制工藝上圖箭頭表示計數(shù)方向，從初始位置向左右移動的過程計數(shù)，返回途中不進行計數(shù)操作。脈沖發(fā)出有軟件控制門控制，當助焊劑泵動作時，產(chǎn)生脈沖，步進電機進行自動復(fù)位操作。助焊劑泵停止動作時，步進電機運行到初始位置停機?？刂品桨冈O(shè)計根據(jù)上下位機的監(jiān)控、執(zhí)行

14、原理可得到如下圖所示的控制原理圖。同時根據(jù)此圖可以畫出系統(tǒng)的接線圖。圖4_13 步進電機控制原理圖西門子PLC與步進電機驅(qū)動器相連時，采用共陽極方式連接，I0.1為高速計數(shù)控制門，始終置“ON”。Q0.0口輸出高頻脈沖，通過I0.0對脈沖進行計數(shù)。0.3控制電機正反轉(zhuǎn)，Q0.3=1正轉(zhuǎn)，Q0.3=0反轉(zhuǎn)。Q0.1控制脈沖產(chǎn)生。圖4_14步進電機控制接線圖PLC程序?qū)崿F(xiàn)步進電機控制步進電機控制程序參數(shù)分配表地址符號含義助焊劑泵工作信號上電記憶信號斷電記憶信號BG14初始位置BG12左移限位BG13右移限位GSMC_GATE脈沖軟件控制門電機方向判斷助焊劑泵工作、停機記憶圖 4_15助焊劑泵工作、停機記憶信號此記憶信號的作用，是控制脈沖的產(chǎn)生。即通電時，產(chǎn)生脈沖信號，斷電時，繼續(xù)產(chǎn)生脈沖信號直至助焊劑泵回到初始位置。脈沖與計數(shù)控制邏輯圖4_16 脈沖軟件控制門控制邏輯工作原理：“OFF”，助焊劑泵繼續(xù)運動至回到初始位置I1.7。圖4_17 每次返回時斷開計數(shù)器圖4_18沖計數(shù)器控制邏輯圖4_19脈沖數(shù)值測量控制程序行計數(shù)值達到的記憶信號。同理，M30.2為右行計數(shù)值達到的記憶信號。此時復(fù)位計數(shù)器，助焊劑泵向初始位置方向移動，到達I1.7時重新開始計數(shù)。右行同左行原理。返回時斷開計數(shù)器。 電機運動方向控制圖4_20電機運動方向判斷=1時，正向記憶信號為40