步进电机控制及高速脉冲指令课件

步进控制系统的组成控制器1.PLC、单片机、位置控制模块等。2.产生脉冲和方向信号。步进驱动器1.对控制器送来的脉冲和方向信号进行放大和分配。步进电机和工作台步进电机按照分配来的信号运行驱动工作台。步进电机结构和工作原理步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。脉冲数越多电机转动的角度越大。脉冲的频率越高电机的转速越快，但不能超过最高频率否则电机的力矩会迅速减小，电机不转。步进电机的种类分

类

方

式具

体

类

型按力矩产生的原理（1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行（2）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁钢），由电磁力矩实现步进运行按输出力矩大小（1）伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（N·m）只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动机床工作台等较大的负载（2）功率式：输出力矩在5-50N·m以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载按定子数（1）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式按各相绕组分布（1）径向分布式：电机各相按圆周依次排列（2）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列步进电机工作原理步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。当某相定子励磁后：它吸引转子，转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐，转子转动一个角度，换一相得电时，转子又转过一个角度，如此每相不停地轮流通电，转子不停地转动。步进电机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角度α称为步距角。步进电机工作原理三相单三拍。得电相序为A-B-C-A步进电机逆时针旋转三相单三拍。得电相序为A-C-B-A步进电机顺时针旋转电机的运行方向与通电的相序有关，改变通电的相序，电机的运行方向会改变。步进电机工作原理综上所述，可以得到如下结论：(1)步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步进电机的步距角α；(2)改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；(3)步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；(4)步进电机步距角α与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关，可用下式表示：

式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2；依此类推。步进驱动器原理从步进电机的转动原理可以看出，要使步进电机正常运行，必须按规律控制步进电机的每一相绕组得电。步进驱动器接收外部的信号是方向信号（DIR）和脉冲信号（CP）。另外步进电机在停止时，通常有一相得电，电机的转子被锁住，所以当需要转子松开时，可以使用脱机信号（FREE）.步进驱动器环型分配器的功能：主要是把外部CP端送入的脉冲进行分配，给功率放大器，功率放大器相应的晶体管导通，步进电机的线圈得电。步进电机、步进驱动器和PLC之间的连接步进驱动器工作模式

有三种基本的步进电机驱动模式：整步、半步、细分。其主要区别在于电机线圈电流的控制精度（即激磁方式）。整步驱动

在整步运行中，同一种步进电机既可配整/半步驱动器也可配细分驱动器，但运行效果不同。步进驱动器按脉冲/方向指令对两相步进电机的两个线圈循环激磁（即将线圈充电设定电流），这种驱动方式的每个脉冲将使电机移动一个基本步距角，即1.80度(标准两相电机的一圈共有200个步距角)。

细分驱动

细分驱动模式具有低速振动极小和定位精度高两大优点。对于有时需要低速运行（即电机转轴有时工作在60rpm以下）或定位精度要求小于0.90度的步进应用中，细分驱动器获得广泛应用。其基本原理是对电机的两个线圈分别按正弦和余弦形的台阶进行精密电流控制，从而使得一个步距角的距离分成若干个细分步完成。如上图所示。例如十六细分的驱动方式可使每圈200标准步的步进电机达到每圈200*16=3200步的运行精度（即0.1125°）。Leadshine公司可提供规格齐全、性能优越、品质可靠、价格优惠的十余款细分驱动器。步进驱动器有关细分的设置什么叫细分？为了提高步进电机控制的精度，现在的步进驱动器都有细分功能，所谓细分就是通过驱动器中电路的方法把把步距角减小。例如把步进驱动器设置成5细分，假设原来步距角为1.8°，那么设置成5细分后，步距角就是0.36°。即原来一步可以走完的，设置成细分后需要走5步。步进驱动器有关细分的设置设置细分时要注意的事项：1、一般情况先细分数不能设置过大，因为在控制脉冲频率不变的情况下，细分越大，电机的转速越慢，而且电机的输出力矩减小。2、驱动步进电机的脉冲频率不能太高，一般不超过2KHz，否则电机输出的力矩迅速减小。高速脉冲输出高速脉冲输出有脉冲串输出PTO和脉宽调制输出PWM两种形式。每个CPU有两个PTO/PWM发生器，一个发生器分配给输出端Q0.0，另一个分配给Q0.1。当Q0.0或Q0.1设定为PTO或PWM功能时，其他操作均失效。不使用PTO/PWM发生器时，Q0.0或Q0.1作为普通输出端子使用。通常在启动PTO或PWM操作之前，用复位R指令将Q0.0或Q0.1清0。脉冲串输出（PTO）

PTO功能可输出一定脉冲个数和占空比为50%的方波脉冲。输出脉冲的个数在1-4294967295范围内可调；输出脉冲的周期以µs或ms为增量单位，变化范围分别是10～65535µs或2～65535ms。如果周期小于两个时间单位，周期被默认为两个时间单位。如果指定的脉冲数为0，则脉冲数默认为1。

PTO功能允许多个脉冲串排队输出，从而形成流水线。流水线分为两种：单段流水线和多段流水线。

单段管（流水）线是指流水线中每次只能存储一个脉冲串的控制参数，初始PTO段一旦起动，必须按照对第二个波形的要求立即刷新特殊存储器，并再次执行PLS指令，在第一个脉冲串完成后，第二个脉冲串输出立即开始，重复这一步骤可以实现多个脉冲串的输出。单段流水线中的各段脉冲串可以采用不同的时间基准，但有可能造成脉冲串之间的不平稳过渡。输出多段高速脉冲时，编程复杂。

多段管（流水）线是指在变量存储区V建立一个包络表（包络表Profile是一个预先定义的横坐标为位置、纵坐标为速度的曲线，是运动的图形描述）。包络表存放每个脉冲串的参数，执行PLS指令时，S7–200PLC自动按包络表中的顺序及参数进行脉冲串输出。包络表中每段脉冲串的参数占用8个字节，由一个16位周期值（2字节）、一个16位周期增量值Δ（2字节）和一个32位脉冲计数值（4字节）组成。段周期增量=|段终止周期-段初始周期|/脉冲数量脉冲串输出（PTO）3．PTO/PWM寄存器Q0.0和Q0.1输出端子的高速输出功能通过对PTO/PWM寄存器的不同设置来实现。PTO/PWM寄存器由SM66~SM85特殊存储器组成，它们的作用是监视和控制脉冲输出（PTO）和脉宽调制（PWM）功能。各寄存器的字节值和位值的意义如表。PTO/PWM寄存器各字节值和位值的意义Q0.0Q0.1说

明寄存器名SM66.4SM76.4PTO包络由于增量计算错误异常终止0：无错1：异常终止脉冲串输出状态寄存器SM66.5SM76.5PTO包络由于用户命令异常终止0：无错；1：异常终止SM66.6SM76.6PTO流水线溢出0：无溢出；1：溢出SM66.7SM76.7PTO空闲 0：运行中；1：PTO空闲SM67.0SM77.0PTO/PWM刷新周期值 0：不刷新； 1：刷新PTO/PWM输出控制寄存器SM67.1SM77.1PWM刷新脉冲宽度值 0：不刷新； 1：刷新SM67.2SM77.2PTO刷新脉冲计数值 0：不刷新； 1：刷新SM67.3SM77.3PTO/PWM时基选择 0：1µs；1：1msSM67.4SM77.4PWM更新方法0：异步更新；1：同步更新SM67.5SM77.5PTO操作0：单段操作；1：多段操作SM67.6SM77.6PTO/PWM模式选择0：选择PTO1：选择PWMSM67.7SM77.7PTO/PWM允许 0：禁止；1：允许SMW68SMW78PTO/PWM周期时间值（范围：2至65535）周期值设定寄存器SMW70SMW80PWM脉冲宽度值（范围：0至65535）脉宽值设定寄存器SMD72SMD82PTO脉冲计数值（范围：1至4294967295）脉冲计数值设定寄存器SMB166SMB176段号（仅用于多段PTO操作），多段流水线PTO运行中的段的编号多段PTO操作寄存器

SMW168SMW178包络表起始位置，用距离V0的字节偏移量表示（仅用于多段PTO操作）高速脉冲输出指令

1．指令格式及功能PLSENQ0.X说明：1）高速脉冲串输出PTO和脉宽调制输出PWM都由PLS指令来激活；2）操作数X指定脉冲输出端子，0为Q0.0输出，1为Q0.1输出；3）高速脉冲串输出PTO可采用中断方式进行控制，而脉宽调制输出PWM只能由指令PLS来激活。功能：当使能端输入