西门子PLC控制步进电机的设计.doc

西门子PLC控制步进电机的设计 步进电机发展步进电机现状自问世以来，步进电机很快确定了在开环高分辨率的定位系统中的主导地位。在工业技术高速发展的今天，还未有适合的取代产品出现。虽然步进电机已被广泛应用，但并不能像普通的直流电动机、交流电动机那样在常规电气控制中使用。它须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统，涉及很多机械与电气控制方面知识。我国生产步进电机的厂家不少，但能自行开发研究的厂家却较少，大部分厂家规模比较小。我国步进电机产品发展有自己的特点：20世纪80年代以前是以磁阻式步进电机为主，20世纪80年代后期开始发展混合式步进电机。产品从相数上分有二相、三相、四相、五相，从步距上分有0.9/1.8、0.36/0.72，从规格上分有42130，从静力矩上分有0.140N.m。从大功率驱动设备市场上，大扭矩步进电机没有市场，无论是在经济上、噪声、加速度、系统惯量、最大扭矩等方面，都不如采用伺服电动机或是直流电动机加编码器好。步进电机主要是应用在小功率场合。总的来说，步进电机是一种简单的开环控制，不适合在大功率场合使用。具体的应用场合如下：(1) 经济型数控机床，如数控雕刻机、数控磨床，数控铣镋床等。(2) 工业生产装备，如连续式、间歇式包装机，机械手等。(3) 工业器材方面，如拿放装置、性能测试装备等。(4) 小型自动化办公设备，如启动打标机、贴标机、割字机、激光打标记绘图仪等。步进电机发展趋势步进电机今后继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。除了传统的旋转步进电机，线性步进电机近些年来发展也很快，它减少了零部件，几乎没有磨损或维修，并且易于结合机器使用，非常适合在轻负载的情况下使用。步进电机控制原理在计算机控制系统中，步进电机是一种非常重要的自动化执行元件，它能将电脉冲转化为电动机轴的角位移。当步进驱动器接收到一个脉冲信号, 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”), 当步进驱动器一个一个地接收到若干个脉冲时，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。因此，可以通过控制进给脉冲的个数来控制电动机的角位移量, 从而达到准确定位的目的步进电机基本工作原理步进电机的定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的。定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C三相。图4_1 步进电机线圈绕组在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿，采用适当的齿数配合,当A相磁极的小齿与转子小齿一一对应时，B相磁极的小齿与转子 小齿相互错开1/3齿距，C相则错开2/3齿距。如图所示 图4_2 电机齿轮上图中，A相绕组与齿1、5一一对应，而此时B相绕组与齿2错开1/3齿距，而与齿3错开2/3齿距，C相绕组与齿3错开2/3齿距，而与齿4错开1/3齿距。 电机的位置和速度由绕组通电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由绕组通电的顺序决定。步进电机一些基本参数(1) 电机固有步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号, 电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值, 如57BYG46403 型电机给出的值为0.9/1.8( 表示半步工作时为0.9、整步工作时为1.8) , 这个步距角可以称之为电机固有步距角, 它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。(2) 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数, 目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同, 其步距角也不同, 一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72。在没有细分驱动器时, 用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器, 则相数将变得没有意义, 用户只需在驱动器上改变细分数, 就可以改变步距角。(3)保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时, 定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一, 通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减, 输出功率也随速度的增大而变化, 所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如, 当人们说2N.m 的步进电机, 在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。（4）启动频率（fq0）空载时，步进电动机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率，用fq表示。若启动时频率大于突跳频率，步进电动机就不能正常启动。Fq与负载惯量有关，一般说来随着负载惯量的增长而下降。空载起动时，步进电动机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。步进电机细分驱动技术步进电机的运行需要各相电流满足一定的时序要求, 而电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关, 如果绕组中电流不再是方波, 而是一个分成个台阶的近似阶梯波, 电机每运行一个阶梯即转动一步。当转动小步时, 实际上相当于转过一个步距角, 这就是所谓的细分。以二相步进电机为例式（1）、式（2）为A、B相电流公式, 式(3)、式(4)则为分别的力矩。这里是转矩的常量, 矢量合成式（3）、式（4）得到 可见, 细分前后合成力矩并没有变化, 但是电机运行的平稳性却增加了。图1-3的上半部分为整步运行下的A、B两相的电流图。可以看出1、2、3、4点的合成力矩相等, 但是连续性不好, 尤其在低频运行时会有明显的振动。而经过细分的则不同, 如图下半部分所示, 将整步的一拍分成了四步来完成, 即四细分。每一微步的电流合成大小都一样, 这样使得每一步过渡更加平稳, 有效抑制了振动, 并减少了失步。图4_3 步进电机细分技术由此可见， 细分驱动能极大地改善步进电机运行的平稳性,近几年来由于微处理机技术的发展, 细分技术得到了广泛应用。高速脉冲产生与高速计数功能西门子S7-300 PLC中的CPU312C、CPU313C、CPU313-2DP等型号，集成有用于高速计数以及高频脉冲输出的通道，可用于高速计数或高频脉冲输出。该类型PLC有3个用于高速计数或高频脉冲输出的特殊通道，3个通道位于CPU313C集成数字量输出点首位字节的最低三位，这三位通常情况下可以作为普通的数字量输出点来使用。再需要高频脉冲输出时，可通过硬件设置定义这三位的属性，将其作为高频脉冲输出通道来使用。4.3.1 设置硬件通道为普通数字量输出点使用时，其系统默认地址为Q124.0、Q124.1、Q124.2（可自行修改），作为高速脉冲输出时，对应的通道分别为0通道、1通道、2通道（通道号为固定值，不能自行修改）。每一通道都可输出最高频率为2.5KHZ（周期为0.4ms）的高频脉冲。步骤1：双击“Hardware”,进入硬件组态界面图4_4 硬件组态界面步骤2：双击“Count”,打开通道设置对话框图4_5 通道设置对话框步骤3：选择“Channel_1“Operating”选择为“pulse width modulation”图 4_6 选择产生脉冲步骤4：选择产生脉冲的周期、延迟产生的参数等。图4_7 设置脉冲参数单击“OK完成配置。下面对高速计数通道进行配置，和前面一样的内容不进一步介绍，下面主要对不同的设置做出说明。具体过程如下：步骤1：选择通道0，选择连续计数功能。图4_8 高速计数选择界面步骤2：打开计数选项卡图4_9 计数参数设置单击 “OK”完成设置。这样，硬件的配置就完成了。但是，除了硬件的配置外，还要进行软件的研究，下面就会对西门子S7-300PLC的脉冲产生与计数进行分析。系统功能块SFB49选中项目下最后一级子菜单Blocks，并双击Blocks中的OB1进入程序编辑器，在OB1中，调用SFB49。过程如下：在指令集工具中，找到library（库）-standard library（标准库）-system Function Blocks（系统功能块）菜单，并双击该菜单下的系统功能块SFB49进行调用图4_10 系统功能块SFB49部分参数含义：参数符号地址/类型含义其它CHANNELDBW2/INT通道号SW_ENDBX4.0/BOOL软件控制门OUTP_VALDBW6/INT脉冲占空比设置系统功能块SFB47选中项目下最后一级子菜单Blocks，并双击Blocks中的OB1进入程序编辑器，在OB1中，调用SFB47。过程如下：在指令集工具中，找到library（库）-standard library（标准库）-system Function Blocks（系统功能块）菜单，并双击该菜单下的系统功能块SFB47进行调用图4_11系统功能块SFB47部分参数含义：参数符号地址/类型含义其它CHANNELDBW2/INT通道号SW_GATEDBX4.0/BOOL高速计数软件控制门JOB_REQDBX4.3/BOOL写请求JOB_IDDBW6/WORDJOB_VALDBD8/DINTCOUNTVALDBD14/DINT计数值两通道均采用软件门控制，这样可以较为容易利用软件实现。步进电机控制方案设计使用PLC控制步进电机时，可使用PLC产生控制步进电机所需要的各种时序的脉冲。控制工艺提出根据波峰焊接机构对助焊剂泵运动的要求，提出以下的控制工艺，主要是要能根据PCB板确定泵移动的范围，不能有累积误差，因此用步进电机可以很好的实现这种控制要求。图4_12 步进电机控制工艺上图箭头表示计数方向，从初始位置向左右移动的过程计数，返回途中不进行计数操作。脉冲发出有软件控制门控制，当助焊剂泵动作时，产生脉冲，步进电机进行自动复位操作。助焊剂泵停止动作时，步进电机运行到初始位置停机。控制方案设计根据上下位机的监控、执行原理可得到如下图所示的控制原理图。同时根据此图可以画出系统的接线图。图4_13 步进电机控制原理图西门子PLC与步进电机驱动器相连时，采用共阳极方式连接，I0.1为高速计数控制门，始终置“ON”。Q0.0口输出高频脉冲，通过I0.0对脉冲进行计数。0.3控制电机正反转，Q0.3=1正转，Q0.3=0反转。Q0.1控制脉冲产生。图4_14步进电机控制接线图PLC程序实现步进电机控制步进电机控制程序参数分配表地址符号含义M20.0助焊剂泵工作信号DB3.DBX0.0上电记忆信号DB3.DBX0.1断电记忆信号I1.7BG14初始位置I1.5BG12左移限位I1.6BG13右移限位Q0.2GSMC_GATE脉冲软件控制门Q0.3电机方向判断助焊剂泵工作、停机记忆图 4_15助焊剂泵工作、停机记忆信号此记忆信号的作用，是控制脉冲的产生。即通电时，产生脉冲信号，断电时，继续产生脉冲信号直至助焊剂泵回到初始位置。脉冲与计数控制逻辑图4_16 脉冲软件控制门控制逻辑工作原理：通电信号M20.0的上升沿活着下降沿将置位Q0.2，此时脉冲信号发出。断电后即M20.0的下降沿到达，M30.0为“OFF”，助焊剂泵继续运动至回到初始位置I1.7。图4_17 每次返回时断开计数器图4_18冲计数器控制逻辑图4_19脉冲数值测量控制程序M30.0为ON且经过I1.7时候开始计数。每次到达两端位置处停止计数，M30.1左行计数值达到的记忆信号。同理，M30.2为右行计数值达到的记忆信号。此时复位计数器，助焊剂泵向初始位置方向移动，到达I1.7时重新开始计数。右行同左行原理。返回时断开计数器。4.5.4 电机运动方向控制图4_20电机运动方向判断