【正文】 務(wù) 步進(jìn)電機(jī)具有較好的控制性能，其啟動、停車、反轉(zhuǎn)及其它任何運(yùn)行方式的改變都可在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，且可獲得較高的控制精度，因而得到了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)子慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點(diǎn) ， 已成為運(yùn)動控制領(lǐng)域的主要執(zhí)行元件之一。而現(xiàn)在的可編程控制器 (通常稱 PLC) 是 一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī) ， 具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活 、 高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、多種控制功能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和優(yōu)越的性價比等性能 ， 能充分適應(yīng)工業(yè)環(huán)境 ， 簡單易懂 ， 操作方便 ， 可靠性高 ， 是目前廣泛應(yīng)用的控制裝置之一。移位寄存器指令 MW0 的低八位按照三相六拍的步進(jìn)順序進(jìn)行賦值來控制步進(jìn)動機(jī)的轉(zhuǎn)動 。 本章小結(jié) 本章闡述了此次設(shè)計(jì)的背景，即步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r，和步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)自動化生產(chǎn)中的重大作用。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第 2 章 步進(jìn)電機(jī)及 PLC 簡介 步 進(jìn)電機(jī) 簡介 步進(jìn)電動機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或者線位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。然而 ， 由于電動機(jī)的工作原理和其它電動機(jī)有很大的差別 ， 具有其它電動機(jī)所沒有的特性。 步進(jìn)電動機(jī)由此而得名。另外 ， 步進(jìn)電動機(jī)動態(tài)響應(yīng)快 ， 控制性能好 ， 只要改變輸入脈沖的順序 ， 就能方便地改變其旋轉(zhuǎn)方向。因此 ， 步進(jìn)電動機(jī)的上述特點(diǎn) ， 使得由它和驅(qū)動控制器組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng) ， 既具有較高的控制精度 ， 良 好的控制性能 ， 又能穩(wěn)定可靠地工作。 步進(jìn)電機(jī)的分類 1） 永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 度或 15度。 3） 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，它又分為兩相和五相。 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖所示。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 相。如圖所示： 圖 22 A相通電定轉(zhuǎn)子錯開示意圖 電機(jī)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。 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) 它表 示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。/176。 /176。 /176。在沒有細(xì)分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。 保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。 鉗制轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn) 子的力矩。 步進(jìn)電機(jī)主要 特點(diǎn) 1） 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 35%， 且不累積。 3） 步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下 降。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng) 有加速過程，即啟動頻率 較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻 [4]。 0? 、 1/3? 、 2/3?（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以 ? 表示），即 A 與齒 1 相對齊， B 與齒 2 向右錯開 1/3? ， C 與齒 3 向右錯開 2/3? ， A39。就是 A，齒 5 就是齒 1）如圖： 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 圖 23 定轉(zhuǎn)子的展開圖 旋轉(zhuǎn) 三相如 A 相通電， B， C 相不通 電時，由于磁場 作用，齒 1 與 A 對齊 ，（轉(zhuǎn)子不受任何力，以下均同）。如 C 相通電， A， B 相不通電，齒 3 應(yīng)與 C 對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過 1/3? ，此時齒 4 與 A 偏移為 1/3? 對齊。如 按 A， C， B， A?? 通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。而方向由導(dǎo)電順序決定。往往采用 AABBBC－ CCAA 這種導(dǎo)電狀態(tài)，所以本設(shè)計(jì)采用三相六拍。甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3? 變?yōu)?/12? ， 1/24? ，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動的基本理論依據(jù) [5]。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制 —— 這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。 步進(jìn)電機(jī)在工 業(yè)控制領(lǐng)域的主要應(yīng)用 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一 ， 廣泛應(yīng)用 在各種家電產(chǎn)品中，例如打印機(jī)、磁盤驅(qū)動器、玩具、雨刷 、機(jī)械手臂和錄像機(jī)等。由于通過控制脈沖個數(shù)可以很方便的控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角位移，且步進(jìn)電機(jī)的誤差不積累，可以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 PLC 的發(fā)展概述 可編程控制器 (簡稱 PLC) 是種數(shù)字運(yùn)算操作的 電子系統(tǒng) ， 是在 20 世紀(jì) 60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國科學(xué)家首先研制成功的。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備 ， 都是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)的。 產(chǎn)生和發(fā)展過程現(xiàn)代社會要求生產(chǎn)廠家對市場的需求做出迅速的反應(yīng) ， 生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和 高質(zhì)量的產(chǎn)品。 PLC 實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同 : 1） 中央處理單元 (CPU)是 PLC 的控制中樞。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后 按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。 為了進(jìn)一步提高 PLC 的可靠性，近年來對大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。 2） 存儲器存放系統(tǒng)軟件的存 儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 PLC 技術(shù)在 步進(jìn)電機(jī)控制中 的 應(yīng)用 隨著微電子技 術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制、順序控制的范圍。隨著電動機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬以及各類整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動機(jī)也必須越來越小。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器 ， 減速齒輪等和電動機(jī)本體綜合設(shè)計(jì)在一起 ， 這樣使其能方便地組成一個閉環(huán)系統(tǒng) ， 因而具東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 有更加優(yōu)越的控制性。而就這兩種電動機(jī)而言，五相電動機(jī)的驅(qū)動電路比三相 電動機(jī)復(fù)雜，因此三相電動機(jī)系統(tǒng)的 性能價格比要比五相電動機(jī)更好一些 [8]。 用 PLC 對步進(jìn)電機(jī)也具有良好的控制能力，利用其高速脈沖輸出功能或運(yùn)動控制功能，現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制 [9]。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個數(shù) 成正比 ， 其轉(zhuǎn)速與單位時間內(nèi)輸入的脈沖數(shù) (即脈沖頻率 )成正比 ，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的相序有關(guān)。 PLC 直接控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由 PLC 和步進(jìn)電機(jī)組成 ， PLC 具有實(shí)時刷新技術(shù) ， 輸出信號的頻率可以達(dá)到數(shù)千赫茲或更高 ， 使得脈沖分配能有很高的分配速度 ， 充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力 ， 提高整個系統(tǒng)的快速性。 有以上步進(jìn)電機(jī)的工作原理以及工作方式我們可以看出： 控制步進(jìn)電機(jī)最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。對 PLC 提出兩個特性要求。其目的是使脈沖能有較高的分配速度 ， 充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力 ， 提高整個系統(tǒng)的快速性。 如下圖所示 ： 圖 24 步進(jìn)電機(jī)的 PLC 直接控制 PLC 步進(jìn)電機(jī) 輸入信號 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 本章小結(jié) 本章闡述了步進(jìn)電機(jī)的主要特點(diǎn)與工作原理 ，并介紹了 PLC 的發(fā)展?fàn)顩r以及PLC 技術(shù)在步進(jìn)電機(jī)控制中所發(fā)揮的巨大作用。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三相三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)?ABCD， 通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A、B、 C、 D 相的通斷。 控制步進(jìn)電機(jī)的速度 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。調(diào)整發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。三相步進(jìn)電機(jī)可采用三種工作方式：三相單三拍，三相雙三拍，三相單六拍。工作方式是單三拍時通電時間最短， 雙三拍時允許放電時間最短，六拍時通電時間和放電時間最長。而且，電機(jī)是三拍的工作方式時，其分辨率為 3 度，六拍的工作方式時，分辨率是 度。 可根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作方式，以及所要求的頻率（步進(jìn)電機(jī)的速度），畫出 A、B、 C 各相的時序圖。例如：本設(shè)計(jì)采用西門子S7300PLC 控制三相步進(jìn)電機(jī)的過程。在經(jīng)歷了一個大的發(fā)展階段后，日前其發(fā)展趨向平緩。步進(jìn)電機(jī)的輸出位移量與輸入脈沖個數(shù)成正比 ， 其轉(zhuǎn)速與單位時間內(nèi)輸入的脈沖數(shù) (即脈沖頻率 )成正比 ， 其轉(zhuǎn)向與脈沖分配 到步進(jìn)電機(jī)的各相繞組的脈沖順序有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)的機(jī)理是基于最基本的電磁鐵作用，可簡單地定義為，根據(jù)輸人的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度或長度，若不改變勵磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動機(jī) :從廣義上講，步進(jìn)電動機(jī)是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電機(jī)，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電動機(jī)。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 1． 硬 —— 硬結(jié)構(gòu) 如圖 所示，這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動系統(tǒng)由硬件電路脈沖生成器、硬件電路脈沖分配器、驅(qū)動器組成。 2． 軟 —— 軟結(jié)構(gòu) 如圖 所示，這種步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動系統(tǒng)由軟件程序脈沖生成器、軟件程序脈沖分配器、驅(qū)動器組成，而軟件脈沖生成器和脈沖分配器 都有微處理器或微控制器通過編程實(shí)現(xiàn)。這種控制驅(qū)動方法電路結(jié)構(gòu)簡單、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，但是占用 CPU 時間多，給微處理器運(yùn)行其他工作造成困難。硬件脈沖分配器是通過脈沖分配器芯片 (如 8713 芯片 )來實(shí)現(xiàn)通電換相控制的。在PLC 中，由軟件代替了脈沖生成器和脈沖分配器，直接對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行并行控制，并且由 PLC 輸出端口直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。 圖 36 硬硬結(jié)構(gòu)控制 圖 37 軟軟結(jié)構(gòu)控制 圖 38 軟硬結(jié)構(gòu)控制 西門子 PLC 控制步進(jìn)電機(jī) 由以上步進(jìn)電機(jī)的工作原理以及工作方式我們可以看出： 控制步進(jìn)電機(jī)最重要的就是要產(chǎn)生出符合要求的控制脈沖。對 PLC 提出兩個特性要求。其目的是使脈沖能有較高的分配速度 ， 充分利用步進(jìn)電機(jī)的速度響應(yīng)能力 ， 提高整個系統(tǒng)的快速性。 對輸入電機(jī)的相關(guān)脈沖控制 ， 從而達(dá)到對步進(jìn)電機(jī)三相繞組的 48V 直流電源的依次通、斷 ， 形成旋轉(zhuǎn)磁場 ， 使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。闡述了步進(jìn)電機(jī)的控制原理，以及 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的方法。 中央處理單元 (CPU)是 PLC 的控制中樞。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。 為了進(jìn)一步提高 PLC 的可 靠 性，近年來對大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。 存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 PLC 常用的存儲器類型： 1） RAM 這是一種讀 /寫存儲器 (隨機(jī)存儲器 )，其存取速度最快，由鋰電池支持。在斷電情況下，存儲器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。使用 編程器就能很容易地對其所存儲的內(nèi)容進(jìn)行修改。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。它和硬件一起決定了該 PLC 的性能。 1） I/O 映象區(qū)：由于 PLC 投入運(yùn)行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)的外設(shè)。一個開關(guān)量 I/O 占用存儲單元中的一個位（ bit），一個模擬量 I/O 占用存儲單元中的一個字（ 16 個 bit）。 2） 系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū) ：除了 I/O 映象區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)還包括 PLC內(nèi)部各類軟設(shè)備（邏輯線圈、計(jì)時器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）的存儲區(qū)。 CPU313C 集成有 3 個用于高速計(jì)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(diǎn)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(diǎn)來使用。作為普通數(shù)字量輸出點(diǎn)使用時，其系統(tǒng)默認(rèn)地址為 、 、 （該地址用戶可根據(jù)需要自行修改），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，用戶不能自行修改）。 CPU313C 中， X2 前接線端子 2 2 24 號接線端子分別對應(yīng)通道0、通道 和通道 2。 1 通道硬件門 7 號接線端子，對應(yīng)的輸入點(diǎn)默認(rèn)地址為 ，而 2 號通道硬件門為 12 號接線端子，對應(yīng)的輸入點(diǎn)默認(rèn)地址為 。 2） 濕度：為了保證 PLC 的絕緣性能 ， 空氣的相對濕度應(yīng)小于 85%( 無露珠 ) 。當(dāng)使用環(huán)境不可避免震動時 ， 必須采取減震措施 ， 如采用減震膠等。對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境 ， 可將 PLC 安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中。在可靠性要求很高或電源干擾特別嚴(yán)重的環(huán)境中 ， 可以安裝一臺帶屏蔽層的隔離變壓器 ， 以減少設(shè)備與地之間的干擾。普通的整流濾波電 源 ， 由于紋波的影響 ， 容易使 P