【正文】 和單極性驅(qū)動電路兩類。單極性驅(qū)動電路適用于反應(yīng)式步進電機，而雙極性驅(qū)動電路適用于永磁式步進電動機和混合式步進電動機。步進電機是采用電脈沖電源供電的。這種驅(qū)動電源一般應(yīng)包括脈沖發(fā)生器、脈沖分配器、脈沖功率放大電路幾部分。驅(qū)動電路就是脈沖功率放大電路。功率放大器的輸出直接直接驅(qū)動電動機繞組。因此功率放大電路的性能對步進電機的運行狀態(tài)有很大影響。目前國內(nèi)步進電機的驅(qū)動電路主要有以下幾種。⑴單電壓驅(qū)動單電壓驅(qū)動是指電動機繞組在工作時，只用一個電壓電源對繞組供電。單電壓驅(qū)動如圖64所示圖63鍵盤硬件接線圖圖64 單電壓驅(qū)動電路功率晶體管T用作開頭，L是電機一相繞組的電感，電源電壓一般選擇在10V100V左右。限流電阻R1決定了時間常數(shù)，R1在工作中要消耗一定的能量，所以這個電路損耗大、放率低，一般只用于小功率步進電動機的驅(qū)動。⑵雙電壓驅(qū)動 用提高電壓的方法可以使繞組中的電流上升波形變陡，這樣就產(chǎn)生了雙電壓驅(qū)動。雙電壓驅(qū)動有兩種方式：雙電壓法和高低壓法①雙電壓法雙電壓法的基本思路是：在低頻段使用較低的電壓驅(qū)動，在高頻段使用較高的電壓驅(qū)動。其電路原理如圖65所示。 圖65 雙電壓驅(qū)動電路當(dāng)電動機工作在低頻時，給T1低電平，使T1關(guān)斷。這時，電動機的繞組由低電壓VL供電，控制脈沖通過T2使繞組得到低壓脈沖電源。當(dāng)電動機工作在高頻時，給T1高電平，使T1打開。壓脈沖電源。當(dāng)電動機工作在高頻時，給T1高電平，使T1打開。這時二極管D2反響截止，切斷低電壓電源VL，電動機繞組由高電壓VH供電，使控制脈沖通過T2使繞組得到高壓脈沖電源。這種驅(qū)動方法保證了低頻段仍然具有單電壓驅(qū)動的特點，在高頻段具有良好的高頻性能，但仍沒擺脫單壓驅(qū)動的弱點，在限流電阻R上仍然會產(chǎn)生損耗和發(fā)熱。②高低壓法高低壓法的基本思路是：不論電動機工作的頻率如何，在繞組通電的開始用高壓供電，使繞組中電流迅速上升，而后用低壓來維持繞組中的電流。高低壓驅(qū)動電路的原理如圖66所示，盡管看起來與雙電壓法電路非常相似，但它們的原理有很大差別。圖66 高低壓驅(qū)動電路圖中有兩個功率晶體管VTVT2，兩個二極管VDVD2，一個外接電阻Rc步進電機繞組電感L以及電阻Rl。高壓U1為80~150V，低壓U2為5~20V。雙電壓功放電路的工作控制信號和單電壓功放電路有很大區(qū)別。在單電壓功放電路中，它的工作控制信號是步進時一相所需的方波信號。而在雙電壓功放電路中，除了需要一相所需的方波信號外，還需高壓驅(qū)動控制信號，只有兩個信號密切配合才能正常工作。當(dāng)VTVT2管的基極電壓UbUb2都為高電平時，則在t1~t2時間內(nèi)，VT1和VT2均飽和導(dǎo)通，二極管VD2反向偏置而截至。高壓電源U1經(jīng)VT1和VT2管加到電機繞組L上，使其電流迅速上升，從而提高步進電機工作頻率和高頻時力矩。在用高壓電源U1時，流入繞組的瞬時電流式中，Tj為回路時間常數(shù)；Rl為繞組電阻；Rc為外接電阻。當(dāng)時間達到t2時或電流上升到某一數(shù)值時，Ub1為低電平，Ub2為高電平，VT1管截止，VT2管導(dǎo)通。電動機繞組的電流由低壓電源U2經(jīng)二極管VD2和VT2管來維持。在t2~t3時，繞組電流保持一定的穩(wěn)態(tài)電流，從而電動機在這段時間內(nèi)能保持相同轉(zhuǎn)動力矩，已完成步進過程。繞組內(nèi)穩(wěn)態(tài)電流I為U2/（Rc+Rl）。在t3時，Ub2也為低電平，VT2管截止。這時高壓電源和低壓電源都被關(guān)斷，無法向電動機繞組供電。繞組因電源關(guān)斷而產(chǎn)生反電勢。在電路中二極管VDVD2組成反電勢泄放的回路。繞組的反電勢通過Rl、Rc、VDUUVD2回路泄放，繞組中的電流迅速下降，其波形形成較好的電流下降沿。可見，該電路對繞組的電流比單電壓功放回路的波形好，有十分明顯的高速率的上升和下降沿。所以，高頻特性好，電源效率也較高。它的不足之處是：高壓產(chǎn)生的電流上沖作用在低頻工作時會使輸入能量過大，引起電動機的低頻振蕩加重。另外，在高低壓銜接處的電流有谷點、不夠平滑，影響電動機運動的平穩(wěn)性。此回路具有能耗低、高頻工作時有較大的轉(zhuǎn)動力矩，所以常用于中功率和大功率步進電機中。高低壓驅(qū)動法是目前普遍應(yīng)用的一種方法。由于這種驅(qū)動在低頻時電流有較大的上沖，電動機低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象存在，使用時要注意。斬波型功放電路克服了高低壓功放電路出現(xiàn)的谷點現(xiàn)象，并且提高了電機的效率和力矩。斬波型功放回路有兩種：一種是斬波恒流功放回路；另一種是斬波平滑功放回路。斬波功放電路應(yīng)用較廣泛。它是利用斬波方法使電流恒定在額定值附近，這種電路也成為電流驅(qū)動電路或波頂 補償回路。本設(shè)計中采用的驅(qū)動電路是斬波恒流驅(qū)動電路，斬波恒流驅(qū)動電路是性能較好、目前使用較多的一種驅(qū)動方式。其基本思想是：無論電機是在鎖定狀態(tài)還是在低頻段或高頻段運行，均使導(dǎo)通相的繞組的電流保持額定值。圖67是斬波恒流驅(qū)動電路的原理圖。相繞組的通斷由開關(guān)管VT1和VT2共同控制，VT2的發(fā)射極接一個小電阻R，電動機繞組的電流經(jīng)這個電阻到地，小電阻的壓降與電動機繞組的電流成正比，所以這個電阻稱為電流采樣電阻。當(dāng)Ui為高電平時，VT1和VT2兩個開關(guān)管均導(dǎo)通，電源向繞組供電。由于繞組電感的作用，R上的電壓逐漸升高，當(dāng)超過給定電壓Ua的值時，比較器的輸出低電平，使與門輸出低電平，VT1截止，電源被切斷，繞組電流經(jīng)VTR、VD2續(xù)流，采樣電阻R的端電壓隨之下降。當(dāng)采樣電阻R上的電壓小于給定電壓Ua時，比較器輸出高電平，與門也輸出高電平，VT1重新導(dǎo)通，電源又開始向繞組供電。如此反復(fù)，繞組的電流穩(wěn)定在由給定電壓所決定的數(shù)值上。當(dāng)控制脈沖Ui變?yōu)榈碗娖綍r，VT1和VT2兩個開關(guān)管均截止，繞組中的電流經(jīng)二極管VD電源和二極管VD2放電，電流迅速下降?？刂泼}沖Ui、VT1的基極電位Ub1及繞組電流Id的波形如圖68所示。圖67 斬波恒流驅(qū)動電路的原理圖圖68 斬波恒流控制的電流波形在VT2導(dǎo)通期間內(nèi)，電源以脈沖式供電，所以這種驅(qū)動電路具有較高的效率。由于在斬波驅(qū)動下繞組電流恒定，電機的輸出轉(zhuǎn)矩均勻。這種驅(qū)動電路的另一個優(yōu)點是能夠有效地抑制共振，因為電機共振的基本原因是能量過剩，而斬波恒流驅(qū)動的輸入能量是隨著繞組電流的變化自動調(diào)節(jié)的，可以有效的防止能量積聚。但是，由于電流波形為鋸齒形，這種驅(qū)動方式會產(chǎn)生較大的電磁噪聲。第七章 軟件設(shè)計 可編程控制器（PLC）的工作原理可編程控制器（PLC）的有兩個工作要點：入出信息變換、可靠物理實現(xiàn)。入出信息變換主要由運行存儲于PLC內(nèi)存中的程序?qū)崿F(xiàn)。這程序既有系統(tǒng)的（這程序又稱監(jiān)控程序，或操作系統(tǒng)），又有用戶的。系統(tǒng)程序為用戶程序提供編輯與運行平臺，同時，還進行必要的公共處理，如自檢，I/O刷新，與外設(shè)、上位計算機或其它PLC通訊等處理。用戶程序由用戶按照控制的要求進行設(shè)計。什么樣的控制，就有什么樣的用戶程序?？煽课锢韺崿F(xiàn)主要通過輸入（I，INPUT）及輸出（O，OUTPUT）電路。每一輸入點或輸出點就有一個I或O電路。而且，總是把若干個這樣電路集成在一個模塊（或箱體）中，然后再由若干個模塊（或箱體）集成為PLC完整的I/O系統(tǒng)（電路）。盡管這些模塊相當(dāng)多，占了PLC體積的大部分，但由于它們都是由高度集成化的，所以，PLC的體積還是不太大的。輸入電路時刻監(jiān)視著輸入點的（通、ON或斷、OFF）狀態(tài)，并將此狀態(tài)暫存于它的輸入暫存器中。每一輸入點都有一個與其對應(yīng)的輸入暫存器。輸出電路有輸出鎖存器（還可能有別的稱謂）。它也有兩個狀態(tài)，高、低電位狀態(tài)，并可鎖存。同時，它還有相應(yīng)的物理電路，可把這個高、低電位的狀態(tài)傳送給輸出點。每一輸出點都有一個與其對應(yīng)的輸出鎖存器。這里的輸入暫存器及輸出鎖存器實際是PLC的I/O電路的寄存器。它們與PLC內(nèi)存交換信息通過PLC I/O總線及運行PLC的系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。把輸入暫存器的信息讀到PLC的內(nèi)存中，稱輸入刷新。PLC內(nèi)存有專門開辟的存放輸入信息的映射區(qū)。這個區(qū)的每一對應(yīng)位（bit）稱為輸入繼電器，或稱軟觸點，或稱為過程映射輸入寄存器（the processimage input register）。這些位（bit）置成1，表示觸點通，置成0為觸點斷。由于它的狀態(tài)是由輸入刷新得到的，所以，它反映的就是輸入點的狀態(tài)。輸出鎖存器與PLC內(nèi)存中的輸出映射區(qū)也是對應(yīng)的。一個輸出鎖存器也有一個內(nèi)存位（bit）與其對應(yīng)，這個位稱為輸出繼電器，或稱輸出線圈，或稱為過程映射輸出寄存器（the processimage output register）。通過PLC I/O總線及運行系統(tǒng)程序，輸出繼電器的狀態(tài)將映射給輸出鎖存器。這個映射的完成也稱輸出刷新。PLC除了有可接收開關(guān)信號的輸入電路，有時，還有接收模擬信號的輸入電路（稱模擬量輸入單元或模塊）。只是后者先要進行模、數(shù)轉(zhuǎn)換，然后，再把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入PLC相應(yīng)的內(nèi)存單元中。如要產(chǎn)生模擬量輸出，則要配有模擬量輸出電路（稱模擬量輸出模塊或單元）。靠它對PLC相應(yīng)的內(nèi)存單元的內(nèi)容進行數(shù)、模轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生輸出。這樣，用戶所要編的程序只是，PLC輸入有關(guān)的內(nèi)存區(qū)到輸出有關(guān)的內(nèi)存區(qū)的變換。這是一個數(shù)據(jù)及邏輯處理問題。由于PLC有強大的指令系統(tǒng)，編寫出滿足這個要求的程序是完全可能的。圖71 PLC工作原理圖71對以上敘述作了說明。其中框圖代表信息存儲的地點，箭頭代表信息的流向及實現(xiàn)信息流動的手段。這個圖既反映了PLC實現(xiàn)控制的兩個基本要點，同時也反映了信息在PLC中的空間關(guān)系。簡單地說，PLC工作過程是：輸入刷新運行用戶程序輸出刷新，再輸入刷新再運行用戶程序再輸出刷新??永不停止地循環(huán)反復(fù)地進行著。圖72所示的流程圖反映的就是上述過程。它也反映了信息間的時間關(guān)系。a簡化工作流程圖 b–實際工作流程圖圖72 PLC工作流程圖有了上述過程，用PLC實現(xiàn)控制顯然是可能的。因為：有了輸入刷新，可把輸入電路監(jiān)視得到的輸入信息存入PLC的輸入映射區(qū)；經(jīng)運行用戶程序，輸出映射區(qū)將得到變換后的信息；再經(jīng)輸出刷新，輸出鎖存器將反映輸出映射區(qū)的狀態(tài)，并通過輸出電路產(chǎn)生相應(yīng)的輸出。又由于這個過程是永不停止地循環(huán)反復(fù)地進行著，所以，輸出總是反映輸入的變化。只是響應(yīng)的時間上，略有滯后。但由于PLC的工作速度很快，所以，這個“略有滯后”的時間是很短的，一般也就是幾毫秒、幾十毫秒，最多也不會超過100到200毫秒。圖72a所示的是簡化的過程，實際的PLC工作過程還要復(fù)雜些。除了I/O刷新及運行用戶程序，還要做些其它的公共處理工作。公共處理工作有：循環(huán)時間監(jiān)視、外設(shè)服務(wù)及通訊處理等。監(jiān)視循環(huán)時間的目的是避免用戶程序“死循環(huán)”，保證PLC能正常工作。為避免用戶程序“死循環(huán)”的辦法是用“看門狗”（Watching dog），即設(shè)一個定時器，監(jiān)測用戶程序的運行時間。只要循環(huán)超時，即報警，或作相應(yīng)處理。外設(shè)服務(wù)是讓PLC可接受編程器對它的操作，或向編程器輸出數(shù)據(jù)。通訊處理是實現(xiàn)與計算機，或與其它PLC，或與智能操作器、傳感器進行信息交換的。這也是增強PLC控制能力的需要。也就是說，實際的PLC工作過程總是：公共處理——I/O刷新——運行用戶程序——再公共處理——?反復(fù)不停地重復(fù)著。圖72b所示的是實際的過程。此外，PLC上電后，也要進行系統(tǒng)自檢及內(nèi)存的初始化工作，為PLC的正常運行做好準備。用這種不斷地重復(fù)運行程序以實現(xiàn)控制，稱掃描方式工作。是PLC基本的工作方式。此外，為了應(yīng)對緊急任務(wù)，PLC還有中斷工作方式。在中斷方式下，需處理的任務(wù)先申請中斷，被響應(yīng)后停止正運行的程序，轉(zhuǎn)而去處理中斷工作（運行有關(guān)中斷的服務(wù)程序）。待處理完中斷，又返回運行原來程序。PLC的中斷方式的任務(wù)，或稱事件，是分等級的。同時出現(xiàn)兩個或多個中斷事件，則優(yōu)先級高的先處理，繼而處理低的。直到全部處理完中斷任務(wù)，再轉(zhuǎn)為執(zhí)行掃描程序。PLC對大量控制都用掃描方式工作，而對個別急需的處理，則用中斷方式。這樣，既可做到所有的控制都能照顧到，而個別應(yīng)急的任務(wù)也能及時進行處理。當(dāng)然，PLC的實際工作過程比這里講的還要復(fù)雜一些，分析其基本原理，也還有一些理論問題。但如果能弄清上面介紹的思路，也可知到PLC是怎么工作的了。存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。為了設(shè)計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)（16位為一個字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。（PLC）提供的編程語言標準語言梯形圖語言也是我們最常用的一種語言，它有以下特點；，沿用傳統(tǒng)控制圖中的繼電器觸點、線圈、串聯(lián)等術(shù)語和一些圖形符號構(gòu)成，左右的豎線稱為左右母線。（觸點）只有常開和常閉，接點可以是PLC輸入點接的開關(guān)也可以是PLC內(nèi)部繼電器的接點或內(nèi)部寄存器、計數(shù)器等的狀態(tài)。、并聯(lián)，但線圈只能并聯(lián)不能串聯(lián)。內(nèi)部繼電器、計數(shù)器、寄存器等均不能直接控制外部負載，只能做中間結(jié)果供CPU內(nèi)部使用。，沿梯形圖先后順序執(zhí)行，在同一掃描周期中的結(jié)果留在輸出狀態(tài)暫存器中所以輸出點的值在用戶程序中可以當(dāng)條件使用。⑵語句表語言，類似于匯編語言。⑶邏輯功能圖語言，沿用半導(dǎo)體邏輯框圖來表達，一般一個運算框表示一個功能，左邊畫輸入、右邊畫輸出。圖73 PLC編程步驟步進電機控制系統(tǒng)的軟件需要同時完成讀取鍵盤、處理鍵盤、控制步進電機轉(zhuǎn)動、控制數(shù)碼管動態(tài)顯示等任務(wù)。PLC是通過CPU循環(huán)掃描的工作方式來完成其控制任務(wù)的。PLC運行時，CPU執(zhí)行用戶程序從應(yīng)用程序的第一條指令開始取指令并執(zhí)行，直到最后一條指令執(zhí)行結(jié)束，因此在一定的硬件與軟件基礎(chǔ)上的用戶程序決定了控制系統(tǒng)的運行功能。 PLC編