步進電機控制及高速脈沖指令

1、步進控制系統(tǒng)的組成控制器1.PLC、單片機、位置控制模塊等。2.產生脈沖和方向信號。步進驅動器1.對控制器送來的脈沖和方向信號進行放大和分配。步進電機和工作臺步進電機按照分配來的信號運行驅動工作臺。步進電機結構和工作原理步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。 脈沖數越多電機轉動的角度越大。脈沖的頻率越高電機的轉速越快，但不能超過最高頻率否則電機的力矩會迅速減小，電機不轉。步進電機的種類分 類 方 式 具 體 類 型 按力矩產生的原理 （

2、1）反應式：轉子無繞組，由被激磁的定子繞組產生反應力矩實現步進運行（2）激磁式：定、轉子均有激磁繞組（或轉子用永久磁鋼），由電磁力矩實現步進運行 按輸出力矩大小 （1）伺服式：輸出力矩在百分之幾之幾至十分之幾（Nm）只能驅動較小的負載，要與液壓扭矩放大器配用，才能驅動機床工作臺等較大的負載（2）功率式：輸出力矩在5-50 Nm以上，可以直接驅動機床工作臺等較大的負載 按定子數 （1）單定子式（2）雙定子式（3）三定子式（4）多定子式 按各相繞組分布 （1）徑向分布式：電機各相按圓周依次排列（2）軸向分布式：電機各相按軸向依次排列 步進電機的結構目前，我國使用的步進電機多為反應式步進電機。在反應

3、式步進電機中，有軸向分相和徑向分相兩種 軸向分相：各相繞組按軸向依次排列。 徑向分相：各相繞組按圓周依次排列。軸向分布步進電機工作原理步進電機的工作原理實際上是電磁鐵的作用原理。 當某相定子勵磁后：它吸引轉子，轉子的齒與該相定子磁極上的齒對齊，轉子轉動一個角度，換一相得電時，轉子又轉過一個角度，如此每相不停地輪流通電，轉子不停地轉動。步進電機繞組的通斷電狀態(tài)每改變一次，其轉子轉過的角度稱為步距角。步進電機工作原理三相單三拍。得電相序為A-B-C-A 步進電機逆時針旋轉三相單三拍。得電相序為A-C-B-A 步進電機順時針旋轉電機的運行方向與通電的相序有關，改變通電的相序，電機的運行方向會改變。步

4、進電機工作原理上面所述的這種通電方式稱為三相三拍。還有一種三相六拍的通電方式，它的通電順序是：順時針為A AB B BC C CA A ；逆時針為A AC C CB B BA A。若以三相六拍通電方式工作，當A相通電轉為A和B同時通電時，轉子的磁極將同時受到A相繞組產生的磁場和B相繞組產生的磁場的共同吸引，轉子的磁極只好停在A和B兩相磁極之間，這時它的步距角等于30。當由A和B兩相同時通電轉為B相通電時，轉子磁極再沿順時針旋轉30，與B相磁極對齊。其余依此類推。采用三相六拍通電方式，可使步距角縮小一半。 步進電機工作原理綜上所述，可以得到如下結論：(1) 步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，

5、它的轉子便轉過一個確定的角度，即步進電機的步距角；(2) 改變步進電機定子繞組的通電順序，轉子的旋轉方向隨之改變；(3) 步進電機定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉子旋轉的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉子的轉速越高；(4) 步進電機步距角與定子繞組的相數m、轉子的齒數z、通電方式k有關，可用下式表示： 式中m相m拍時，k=1；m相2m拍時，k=2；依此類推。步進驅動器原理從步進電機的轉動原理可以看出，要使步進電機正常運行，必須按規(guī)律控制步進電機的每一相繞組得電。步進驅動器接收外部的信號是方向信號（DIR）和脈沖信號（CP）。另外步進電機在停止時，通常有一相得電，電機的轉子被鎖住，所以

6、當需要轉子松開時，可以使用脫機信號（FREE）.步進驅動器環(huán)型分配器的功能：主要是把外部CP端送入的脈沖進行分配，給功率放大器，功率放大器相應的晶體管導通，步進電機的線圈得電。步進電機、步進驅動器和PLC之間的連接步進驅動器工作模式 有三種基本的步進電機驅動模式：整步、半步、細分。其主要區(qū)別在于電機線圈電流的控制精度（即激磁方式）。整步驅動在整步運行中，同一種步進電機既可配整/半步驅動器也可配細分驅動器，但運行效果不同。步進驅動器按脈沖/方向指令對兩相步進電機的兩個線圈循環(huán)激磁（即將線圈充電設定電流），這種驅動方式的每個脈沖將使電機移動一個基本步距角，即1.80 度(標準兩相電機的一圈共有20

7、0個步距角)。 半步驅動在單相激磁時，電機轉軸停至整步位置上，驅動器收到下一脈沖后，如給另一相激磁且保持原來相繼處在激磁狀態(tài)，則電機轉軸將移動半個步距角，停在相鄰兩個整步位置的中間。如此循環(huán)地對兩相線圈進行單相然后雙相激磁步進電機將以每個脈沖0.90度的半步方式轉動。所有Leadshine公司的整/半步驅動器都可以執(zhí)行整步和半步驅動，由驅動器撥碼開關的撥位進行選擇。和整步方式相比，半步方式具有精度高一倍和低速運行時振動較小的優(yōu)點，所以實際使用整/半步驅動器時一般選用半步模式。 細分驅動細分驅動模式具有低速振動極小和定位精度高兩大優(yōu)點。對于有時需要低速運行（即電機轉軸有時工作在60rpm以下）或

8、定位精度要求小于0.90度的步進應用中，細分驅動器獲得廣泛應用。其基本原理是對電機的兩個線圈分別按正弦和余弦形的臺階進行精密電流控制，從而使得一個步距角的距離分成若干個細分步完成。如上圖所示。例如十六細分的驅動方式可使每圈200標準步的步進電機達到每圈200*16=3200步的運行精度（即0.1125）。Leadshine公司可提供規(guī)格齊全、性能優(yōu)越、品質可靠、價格優(yōu)惠的十余款細分驅動器。 步進驅動器有關細分的設置什么叫細分？為了提高步進電機控制的精度，現在的步進驅動器都有細分功能，所謂細分就是通過驅動器中電路的方法把把步距角減小。例如把步進驅動器設置成5細分，假設原來步距角為1.8，那么設置

9、成5細分后，步距角就是0.36。即原來一步可以走完的，設置成細分后需要走5步。步進驅動器有關細分的設置設置細分時要注意的事項：1、一般情況先細分數不能設置過大，因為在控制脈沖頻率不變的情況下，細分越大，電機的轉速越慢，而且電機的輸出力矩減小。2、驅動步進電機的脈沖頻率不能太高，一般不超過2KHz，否則電機輸出的力矩迅速減小。設置步進驅動器的撥碼開關，使其輸出相電流為1.05A，細分數為4。滾珠絲杠的導程為5mm，整步方式下步距角為1.8。在沒有設置細分時步距角是1.8，即200個脈沖/轉。設置成4細分后，則是800脈沖/轉。相當一個導程需要800個脈沖。高速脈沖輸出高速脈沖輸出有脈沖串輸出PT

10、O和脈寬調制輸出PWM兩種形式。每個CPU有兩個PTO/PWM發(fā)生器，一個發(fā)生器分配給輸出端Q0.0，另一個分配給Q0.1。當Q0.0或Q0.1設定為PTO或PWM功能時，其他操作均失效。不使用PTO/PWM發(fā)生器時，Q0.0或Q0.1作為普通輸出端子使用。通常在啟動PTO或PWM操作之前，用復位R指令將Q0.0或Q0.1清0。脈沖串輸出（PTO） PTO功能可輸出一定脈沖個數和占空比為50%的方波脈沖。輸出脈沖的個數在1-4 294 967 295范圍內可調；輸出脈沖的周期以s或ms為增量單位，變化范圍分別是1065 535s或265 535ms。 如果周期小于兩個時間單位，周期被默認為兩個

11、時間單位。如果指定的脈沖數為0，則脈沖數默認為1。 PTO功能允許多個脈沖串排隊輸出，從而形成流水線。流水線分為兩種：單段流水線和多段流水線。 單段管（流水）線是指流水線中每次只能存儲一個脈沖串的控制參數，初始PTO段一旦起動，必須按照對第二個波形的要求立即刷新特殊存儲器，并再次執(zhí)行PLS指令，在第一個脈沖串完成后，第二個脈沖串輸出立即開始，重復這一步驟可以實現 多個脈沖串的輸出。單段流水線中的各段脈沖串可以采用不同的時間基準，但有可能造成脈沖串之間的不平穩(wěn)過渡。輸出多段高速脈沖時，編程復雜。 多段管（流水）線是指在變量存儲區(qū)V建立一個包絡表（包絡表Profile是一個預先定義的橫坐標為位置、

12、縱坐標為速度的曲線，是運動的圖形描述）。包絡表存放每個脈沖串的參數，執(zhí)行PLS指令時，S7200 PLC自動按包絡表中的順序及參數進行脈沖串輸出。包絡表中每段脈沖串的參數占用8個字節(jié)，由一個16位周期值（2字節(jié)）、一個16位周期增量值（2字節(jié)）和一個32位脈沖計數值（4字節(jié)）組成。段周期增量=|段終止周期-段初始周期|/脈沖數量脈沖串輸出（PTO）多段流水線的包絡表從包絡表起始地址的字節(jié)偏移段說 明VBn總段數（1255）；數值0產生非致命錯誤，無PTO輸出VBn+1段1初始周期（2至65 535個時基單位）VBn+3每個脈沖的周期增量（符號整數：-32 768至32 767個時基單位）VBn

13、+5脈沖數（1至4 294 967 295）VBn+9段2初始周期（2至65535個時基單位）VBn+11每個脈沖的周期增量（符號整數：-32 768至32 767個時基單位）VBn+13脈沖數（1至4 294 967 295）VBn+17段3初始周期（2至65 535個時基單位）VBn+19每個脈沖的周期增量值（符號整數：-32 768至32 767個時基單位）VBn+21脈沖數（1至4 294 967 295）3 PTO/PWM寄存器 Q0.0和Q0.1輸出端子的高速輸出功能通過對PTO/PWM寄存器的不同設置來實現。PTO/PWM寄存器由SM66SM85特殊存儲器組成，它們的作用是監(jiān)視和

14、控制脈沖輸出（PTO）和脈寬調制（PWM）功能。各寄存器的字節(jié)值和位值的意義如表。PTO/PWM寄存器各字節(jié)值和位值的意義Q0.0Q0.1說 明寄存器名SM66.4SM76.4PTO包絡由于增量計算錯誤異常終止 0：無錯1：異常終止脈沖串輸出狀態(tài)寄存器SM66.5SM76.5PTO包絡由于用戶命令異常終止 0：無錯；1：異常終止SM66.6SM76.6PTO流水線溢出 0：無溢出；1：溢出SM66.7SM76.7PTO空閑 0：運行中； 1：PTO空閑SM67.0SM77.0PTO/PWM刷新周期值 0 ：不刷新； 1 ：刷新PTO/PWM輸出控制寄存器SM67.1SM77.1PWM刷新脈沖寬

15、度值 0 ：不刷新； 1：刷新SM67.2SM77.2PTO刷新脈沖計數值 0 ：不刷新； 1：刷新SM67.3SM77.3PTO/PWM時基選擇 0 ：1 s； 1：1msSM67.4SM77.4PWM更新方法 0 ：異步更新； 1：同步更新SM67.5SM77.5PTO操作 0 ：單段操作； 1：多段操作SM67.6SM77.6PTO/PWM模式選擇 0 ：選擇PTO 1：選擇PWMSM67.7SM77.7PTO/PWM允許 0：禁止； 1 ：允許SMW68SMW78PTO/PWM周期時間值（范圍：2至 65 535）周期值設定寄存器SMW70SMW80PWM脈沖寬度值（范圍：0至65 5

16、35）脈寬值設定寄存器SMD72SMD82PTO脈沖計數值（范圍：1至4 294 967 295）脈沖計數值設定寄存器SMB166SMB176段號（僅用于多段PTO操作），多段流水線PTO運行中的段的編號多段PTO操作寄存器SMW168SMW178包絡表起始位置，用距離V0的字節(jié)偏移量表示（僅用于多段PTO操作）高速脈沖輸出指令 1指令格式及功能PLSENQ0.X說明：1）高速脈沖串輸出PTO和脈寬調制輸出PWM都由PLS指令來激活；2）操作數X指定脈沖輸出端子，0為Q0.0輸出，1為Q0.1輸出；3）高速脈沖串輸出PTO可采用中斷方式進行控制，而脈寬調制輸出PWM只能由指令PLS來激活。功能：當使能端輸入有效時， PLC首先檢測為脈沖輸出位（X）設置的特殊存儲器位，然后激活由特殊存儲器位定義的脈沖操作PTO指令編程舉例圖 PTO脈沖串輸出主程序/I0.0上升沿，復位輸出/調用PTO設置子程序/I0.1上升沿，禁止所有中斷，停止脈沖串輸出 通過I0.0上升沿調用子程序0設置PTO操作，通過脈沖串輸出完成中斷程序0來改變脈沖周期，通過I0.1上升沿禁止中斷完成脈沖串輸出的停址。PTO輸出的結果如所示。對應的梯形圖主程序、子程序0