【正文】 構圖 （ General specifications） 步距精度 ?????? ??????????????? 177。 表 31 電器規(guī)格表 型號 步距角 電機長度 保持轉矩 額定電流 驅動器電源輸入 轉子慣量 電機重量 適配驅動器 Model Ste Len Hold Curren Power Rotor Wei Match 20 p Angle 176。 本次設計所使用的步進電機的型號是 BSHB3913，以它為例，步矩角是 度，那么電機轉動一周就要 300（ 360 度 / 度）個脈沖。 為何要使用步進電機驅動器 步進電機是一種開環(huán)伺服運動系統(tǒng)執(zhí)行元件，以脈沖方式進行控制，輸出角位移。但是，步進電機運行存在許多不足之處，如低頻振蕩、噪聲大、分辨率不高等，又嚴 重制約了步進電機的應用范圍。相對于其他的驅動方式，細分驅動方式不僅可以減小步進電機的步距角，提高分辨率，而且可以減少或消除低頻振動，使電機運行更加平穩(wěn)均勻。因為常用低端步進電機伺服系統(tǒng)沒有編碼器反饋，所以隨著電機速度的升 高其內部控制電流相應減小，從而造成丟步現(xiàn)象。 因為三相混合式步進電機比二相步進電機有更好的低速平穩(wěn)性及輸出力矩，所以三相混 合式步進電機比二相步進電機有更好應用前景。 細分原理 步進電機的細分控制從本質上講是通過對步進電機的定子繞組中電流的控制，使步進電機內部的合成磁場按某種要求變化，從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量的之間的夾角大小決定了步距角的大小。 三相混合式步進電機的工作原理十分類似于交流永磁同步伺服電機。在結構上，它相當于一種多極對數(shù)的交流永磁同步電機。為便于分析，可做如下假設 。 圖 32 三相永磁同步電機的簡單結構模型 22 U、 V、 W 為定子上的 3 個線圈繞組， 3 個線圈繞組的軸線成 120176。電機單相繞組通電的時候，穩(wěn)態(tài)轉矩可以表達為： T=f（ i,theta）。由于磁飽和效應可以忽略不計，并且轉子結構是圓形，其矩角特性為嚴格的正弦， 即： T=k *I*sin（ theta）， k 為轉矩常數(shù) 若理想的電流源以恒幅值為 I 的三相平衡電流 iU、 iV、 iW 供給電機繞組，即： iU=I*sin（ wt） iV=I*sin（ wt+2*PI/3） iW =I*sin（ wt+4*PI/3） 則電機各相電流產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)轉矩為： TU=k*I*sin（ wt） *sin（ theta） TV=k*I*sin（ wt+2*PI/3） *sin（ theta+2*PI/3） TW=k*I*sin（ wt+4*PI/3） *sin（ theta+4*PI/3） 穩(wěn)態(tài)運行時， theta=wt，則三相繞組產(chǎn)生的合成轉矩為： T=TU+TV+TW=3/2*k*I*sin（ PI/2wt+theta） =3/2*k*I 以上分析表明，對于三相永磁同步電機，當三相繞組輸入相差 120176。因此，將交流伺服控制原理應用到三相混合式步進電機驅動系統(tǒng)中，輸入的 220V 交流，經(jīng)整流后變?yōu)橹绷鳎俳?jīng)脈寬調制技術變?yōu)?三路階梯式正弦波形電流 ，它們按固 定時序分別流過三路繞組，其每個階梯對應電機轉動一步 23 圖 33 電動機轉動示意圖 通過改變驅動器輸出正弦電流的頻率來改變電機轉速，而輸出的階梯數(shù)確定了每步轉過的角度，當角度越小的時候，那么其階梯數(shù)就越多，即細分就越大，從理論上說此角度可以設得足夠的小，所以細分數(shù)可以是很大，而交流伺服控制的每步角度與反饋的編碼器的精度有很大的關系，一般使用的為 2500 線，所以每一步轉過的角度僅為 度，而此方法控制的步進 電機，比如其細分數(shù)為 10000，則每一步轉過的角度為 度，所以比一般的伺服控制精度高很多。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降 ， 通過恒流方式可以使在電機低頻和高頻時保持同樣的 24 相電流從而使高頻的力矩特性有所改善，這只能是在低速時，所以其綜合性能（高低速噪聲，高速力矩，高速平穩(wěn)性等）很難趕超交流伺服控制系統(tǒng)。 的三相階梯式正弦電流 三相混合式步進電機一般把三相繞組連接成星形或者三角形，按照電路基本定理，三相電流之和為零。所以通常只需產(chǎn)生兩相繞組的給定信號，第三相繞組的給定信號可由其它兩相求得。 本設計中所用的步進驅動器 DQ378M 是基于 DSP 控制的 三相步進電機驅動器。驅動電壓為 DC24V80V，適配電流在 以下、外徑 5786mm 的各種型號的三相混合式步進電機。定位精度最高可達 60000 步 /轉。 ● 高性能、低價格 ● 設有 16檔等角 度恒力矩細分，最高分辨率 60000 步 /轉 ； ● 最高反應頻率可達 200Kpps； ● 步進脈沖停止超過 100ms 時，線圈電流自動減到設定電流的一半 ； ● 光電隔離信號輸入 /輸出 ； ● 驅動電流 ； ● 單電源輸入，電壓范圍： DC24V80V； 25 ● 相位記憶功能（注：輸入停止超過 3 秒后，驅動器自動記憶當時電機相位，重新上電或 MF信號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，驅動器自動恢復電機相位） 如圖 35所示為 DQ378M的實物圖。輸入電阻220Ω ，要求：低電平 ，高電平 45V，脈沖寬度 DP5=ON,DR 為反向步進脈沖信號 5 MF+ 輸入信號光電隔離正端 接 +5V 供電電源， +5V+24V 均可驅動，高于 +5V 需接限流電阻 6 MF 電機釋放信號 有效（低電平）時關斷電機接線電流，驅動器停止工作，電機處于自由狀態(tài) 7 RDY+ 驅動器準備好 輸出信號光電隔離正端 驅動器狀態(tài)正常，準備就緒接受控制器信號時該信號有效（低電平） 8 RDY 驅動器準備好輸出信號光電隔離負端 電機，電源端 1 U 電機接線 2 V 3 W 4 NC 空端口 5 DC+ 電源 電源： DC24~80V 6 DC 如表 33 所示 。 檢查外部控制信號 指示燈顯示正常，電機軸未鎖機 檢查 MF信號是否有效 電機堵轉 最高速度設置過大 降低最高速度 加速時間太短 加長加速時間或增大驅動器脈沖濾波常數(shù) 位置不準 細分數(shù)不對 選擇正確的細分數(shù) 電機負載過大 更換電機或適當增大驅動器運行電流 “ 漏電 ” 現(xiàn)象 驅動器、電機沒有可靠接地 把驅動器、電機可靠接地 驅動器、電機嚴重發(fā)熱 驅動器運行電流大或外界散熱條件差 適當?shù)臏p小驅動器運行電流或增加驅動器和電機的通風散熱 ： 驅動器 工作電流由 DIP1端子設定，運行電流為正常工作輸出電流設置開關（注：本驅動器電流值為有效值） 關系如表 34. 表 34 運行電流與正常 工作輸出電流設置開關 關系對照表 運行電流（ A） D1 OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF ON ON ON ON ON ON ON ON D2 OFF OFF OFF OFF ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF ON ON ON ON D3 OFF OFF ON ON OFF OFF ON ON OFF OFF ON ON OFF OFF ON ON D4 OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON ： 驅動器 細分由 DIP2端子設定 ，共 16 檔，由 6位撥碼開關的前四位分別設定（后兩位為功能設定）。 28 表 35 6位撥碼開關對照表 細分數(shù) 400 500 600 800 1000 1200 2000 3000 4000 5000 6000 10000 12000 20210 30000 60000 D1 ON ON ON ON ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF D2 ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF D3 ON ON OFF OFF ON ON OFF OFF ON ON OFF OFF ON ON OFF OFF D4 ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF D5 ON, 雙脈沖： PU為正向步進脈沖信號， DR 為反向步進脈沖信號 OFF, 單脈沖： PU為步進脈沖信號， DR 為方向控制信號 D6 自動檢測開關（ OFF 時接收外部脈沖， ON 時驅動器內部以 30 轉 /分的速度運行） 29 第 4 章 PLC 控制步進電機 PLC 的概述 可編程控制器是 60 年代末在美國首先出現(xiàn)，當時叫可編程邏輯控制器 PLC（ Programmable Logic Controller），目的是用來取代繼電器，以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能。根據(jù)實際應用對象，將控制內容編成軟件寫入控制器的用戶程序存儲器內。 隨著半導體技術，尤其是微處理器和微型計算機技術的發(fā)展，到 70 年代中期以后，PLC 已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，這時的 PLC 已不再是邏輯判斷功能，還同時具有數(shù)據(jù)處理、PID 調節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算，順序控制、定時、計算和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 可編程控制器對用戶來說，是一種無觸點設備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝，因此可在初步設計階段選用可編程控制器，在實施階段再確定工藝過程。由于這些特點，可編程控制器問世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展。 PLC可靠性高，抗干擾能力強，其平均無故障時間可達幾十萬小時，之所以有這么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和軟件的抗干擾措施。然后 PLC 功能完善，通用性強， 30 設計安裝簡單，維護方便。 因此，目前 PLC 已廣泛應用于冶金，石油，化工，建材，機械制造，電力，汽車，輕工，環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。為此本文主要研究基于 PLC 的步進電機同步控制系統(tǒng)，實現(xiàn) PLC 與步進電機的一體化問題。被公認為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱（ PLC，機器人，CAD\CAM）之一。 PLC 的結構及各部分的作用 可編程控制器的結構多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為核心的結構。 （ CPU） CPU 作為整個 PLC 的核心，起著總指揮的作用。這些電路通常都被封裝在一個集成電路的芯片上。 CPU 的功能有以下一些：從存儲器中讀取指令，執(zhí)行指令，取下一條指令，處理中斷。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器 。常用的存儲器有 RAM、 EPROM 和 EEPROM。 RAM 存儲器是一種高密度、低功耗、價格便宜的半導體存儲器，可用鋰電池做備用電源。 EPROM、 EEPROM 都是只讀存儲器。 3. 輸入輸出單元（ I/O單元） I/O 單元實際上是 PLC 與被控對象間傳遞輸入輸出信號的接口部件。接到 PLC 輸入接口的輸入器件是各種開關、按鈕、傳感器等。 31 4. 電源 PLC 電源單元包括系統(tǒng)的電源及備用電池，電源單元的作用是把外部電源轉換成內部工作電壓。 5. 編程器 編程器是 PLC 的最重要外圍設備。除此以外，在個人計算機上添加適當?shù)挠布涌诤蛙浖?，即可用個人計算機對 PLC 編程。 PLC 的工作原理 PLC 采用循環(huán)掃描的工作方式，在 PLC 中用戶程序按先后順序存放， CPU 從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結束符后又返回第一條，如此周而復始不斷循環(huán)。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。在 PLC處于運行狀態(tài)時，從內部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。在此階段，順序讀入所有輸入端子的通端狀態(tài)，并將讀 入的信息存入內存中所對應的映象寄存器。接著進入程序執(zhí)行階段。 程序執(zhí)行 根據(jù) PLC 梯形圖程序掃描原則，按先左后右先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。從用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時， PLC 從輸入映象寄存器中讀出上一階段采入的對應輸入端子狀態(tài)，從輸出映象寄存器讀出對應映象寄 存器，根據(jù)用戶程序進行邏輯運算，存入有關器件寄存器中。 輸出處理 程序執(zhí)行完畢后，將輸出映象寄存器，即器件映象寄存器中的 Y 寄存器的狀態(tài)，在輸出處理階段轉存到輸出鎖存器，通過隔離電路，驅動功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅動外部負