项目5 步进电机的应用2016.7

2024/4/22项目5步进电机的应用

任务5.1步进电机的正反转控制任务5.2工作台的位置控制教学内容2024/4/22学习目标1．了解步进电机的工作原理。2．掌握步进驱动器的端子功能。3．学会设置步进驱动器的工作电流（动态电流）、细分精度和静态电流。4．掌握PLC控制步进电机的硬件接线图。5．学会用西门子的高速脉冲输出指令及位置向导编写步进电机的控制程序。

2024/4/222024/4/22任务5.1步进电机的正反转控制任务导入

现有一台三相步进电机，步距角是1.5°，假设步进电机的运行速度为1

000Hz，旋转一周需要5

000个脉冲，电机的额定电流是2.1A。控制要求：利用PLC控制步进电机顺时针转2周，再逆时针转3周，如此循环进行，按下停止按钮，电机马上停止（电机的轴锁住）。

步进电动机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机，每输入一个电脉冲，电机就会旋转一定的角度，常作为数字控制系统中的执行元件。最早的步进电机是1920年代由英国人研发。德国百格拉公司于1973年发明了五相混合式步进电机及其驱动器；1993年又推出了性能更加优越的三相混合式步进电机。我国在80年代以前，一直是反应式步进电机占统治地位，混合式步进电机是80年代后期才开始发展。相关知识一、步进电机步进电机的外形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，电机则就前进一步，所以叫做步进电机。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。步进电机应用领域1.广泛应用于ATM机、喷绘机、刻字机、写真机、喷涂设备、医疗仪器及设备、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。

2.步进电机主要用于一些有定位要求的场合。

线切割的工作台拖动，植毛机工作台（毛孔定位），包装机（定长度）。基本上涉及到定位的场合都用得到。特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合。

3.步进电机在电脑绣花机等纺织机械设备中有着广泛的应用，这类步进电机的特点是保持转矩不高，频繁启动反应速度快、运转噪音低、运行平稳、控制性能好、整机成本低。

三相步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。（1）三相单三拍●三相绕组联接方式：Y型●三相绕组中的通电顺序为：A相

B相

C相“三相”指定子绕组有3组；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。1．步进电机的工作原理三相单三拍工作过程

当A相定子绕组通电，其余两相均不通电，电机内建立以定子A相极为轴线的磁场。由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，使转子齿1、3的轴线与定子A相极轴线对齐，如图所示。若A相定子绕组断电、B相定子绕组通电时，转子在反应转矩的作用下，顺时针转过30°，使转子齿2、4的轴线与定子B相极轴线对齐，即转子走了一步，如图（b）所示。若在断开B相，使C相定子绕组通电，转子顺时针方向又转过30°，使转子齿1、3的轴线与定子C相极轴线对齐，如图（c）所示。如此按A→B→C→A的顺序轮流通电，转子就会一步一步地按顺时针方向转动。

这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：●每来一个电脉冲，转子转过30

。此角称为步距角，用

表示。●转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变电机转向。

反转：

A相

C相

B相

A相

B相

C相正转：（2）

三相双三拍“双”是指每次有两相绕组通电，每通入一个电脉冲，转子也是转30°，即步距角为30°。正转：AB→BC→CA→AB；反转：AC→CB→BA→AC。双拍运行与单拍运行时步距角相同，也是30°，产生的转矩一般会增加。（3）

三相单双六拍即一相通电接着二相通电间隔地轮流进行，完成一个循环需要经过6次改变通电状态，其步距角为15°。正转：A→AB→B→BC→C→CA→A；反转：A→AC→C→CB→B→BA→A。如何使步进电动机反转？以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。步进电机的转动方向仍由相序决定。2.步进电机的结构步进电机的外形如图5-2（a）所示，步进电机由转子（转子铁心、永磁体、转轴、滚珠轴承），定子（绕组、定子铁心），前后端盖等组成，如图5-2（c）所示。图5-2步进电机的结构示意图拆开的步进电机内部结构以三相步进电机为例其定子和转子上分别有六个、四个磁极。定子转子定子绕组步进电动机结构简图定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进电机通的是直流电脉冲，这主要是指线路的联接和组数的区别。ABC定子转子IAIBIC定子铁心

定子铁心为凸极结构，由硅钢片迭压而成。在面向气隙的定子铁心表面有齿距相等的小齿。定子绕组

定子每极上套有一个集中绕组，相对两极的绕组串联构成一相。步进电动机可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。为了减小步距角，实际的步进电机通常在定子凸极和转子上开很多小齿，这样就可以大大减小步距角，提高步进电机的控制精度。转子

转子上只有齿槽没有绕组，系统工作要求不同，转子齿数也不同。转子的外圈由50个小齿构成，转子1和转子2的小齿于构造上互相错开1/2螺距。由此转子形成了100个小齿。目前已经有转子单个加工至100齿的高分辨率型，那么高分辨率型的转子就有200个小齿。因此其机械上就可以实现普通步进电机半步(普通步进电机半步需要电气细分达到)的分辨率。通常按励磁方式分为三大类：1）反应式（VR）

转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小齿、步距角小。2）永磁式（PM）

转子为永磁材料，转子的极数=每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大3）感应子式(混合式，HB)

转子为永磁式、两段，开小齿，转矩大、动态性能好、步距角小，但结构复杂，成本较高。3．步进电机的分类2024/4/22

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，分为两相和五相，两相步进角一般为1.8度，而五相步进角一般为0.72度，这种步进电机的应用最为广泛。按相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG（BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。步进电动机的机座号：主要有35、39、42、57、86、110等。二相混合式步进电机产品步距角：

3.6°1.8°1.5°284256、5786110扭矩Nm外径mm1100.130130五相混合式步进电机产品步距角：

0.72°0.18°901102~8Nm8~20Nm25~35Nm130

步进电机每接收一个步进脉冲信号，电机就旋转一定的角度，该角度称为步距角。Z：转子齿数；K：为通电系数，当前后通电相数一致时，K=1，否则，K=2；m：为相数。（1）

步距角4．步进电机的重要参数

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。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、四相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为3°/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。步进电机的步距角一般为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°等。步距角越小，则步进电机的控制精度越高，根据步距角可以控制步进电机行走的精确距离。比如说，步距角为0.72°的步进电机，每旋转一周需要的脉冲数为360/0.72=500脉冲，也就是对步进电机驱动器发出500个脉冲信号，步进电机才旋转一周。

（2）

步进电机的速度步进电机的转速取决于各相定子绕组通入电脉冲的频率，其速度为式中，f——电脉冲的频率，即每秒脉冲数（简称PPS）；

Z——转子齿数；

K——通电系数。

（3）

相数

步进电动机的相数是指电机内部的线圈组数，常用m表示。目前常用的有二相、三相、四相、五相、六相、八相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同。

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。

（4）

拍数

完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。θ

=

360°/（转子齿数×运行拍数），以常规二、四相为例，转子齿数为50齿电动机为例。四拍运行时步距角为θ

=

360°/（50×4）=1.8°（俗称整步），八拍运行时步距角为θ

=

360°/（50×8）=0.9°（俗称半步）。以四相电机为例，有四相双四拍运行方式即AB→BC→CD→DA→AB，四相单双八拍运行方式即A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。步距角对应一个脉冲信号，电动机转子转过的角位移用θ表示。

（5）

保持转矩保持转矩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。5.

步进电机的特点一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积；步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。步进电机的力矩会随转速的升高而下降（U=E+L(di/dt)+I*R）

矩频特性曲线空载启动频率：即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。步进电机的起步速度一般在10~100RPM，伺服电机的起步速度一般在100~300RPM。根据电机大小和负载情况而定，大电机一般对应较低的起步速度。步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点。

克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声方法：通过改变减速比等机械传动避开共振区；采用带有细分功能的驱动器；换成步距角更小的步进电机；选用电感较大的电机二、步进控制系统的组成图5-3步进电机控制系统框图步进驱动器的功能就是在控制设备（PLC或单片机）的控制下，为步进电动机提供工作所需要的幅度足够的脉冲信号。三、步进驱动器

步进驱动器的内部组成及原理（1）步进驱动器：是一种能使步进电机运转的功率放大器，能把控制器发来的脉冲信号转化为步进电机的角位移，电机的转速与脉冲频率成正比，所以控制脉冲频率可以精确调速，控制脉冲数就可以精确定位。步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动。步进驱动器内部主要由环形分配器和功率放大器组成。步进驱动器的三种输入信号环形分配器：将输入的脉冲信号分成多路脉冲，再送到功率放大器。功率放大器：将脉冲信号进行功率放大，驱动步进电机。方向信号：控制环形分配器分配脉冲的顺序，从而控制步进电机的方向。使能信号：允许或禁止步进驱动器工作。1．步进驱动器的外部端子两相步进驱动器三相步进驱动器图5-5步进驱动器外部接线端步进驱动器的三种输入信号：脉冲信号、方向信号、使能信号6个输入信号需要接5V电源，如果接12V或24V直流电源，需要串联电阻表5-1 步进驱动器外部接线端功能说明接

线

端功能说明PUL+（+5V）脉冲控制信号输入端：脉冲上升沿有效；PUL-高电平时4～5V，低电平时0～0.5V。为了可靠响应脉冲信号，脉冲宽度应大于1.2μs。如采用+12V或+24V时需串电阻。PUL－DIR+（+5V）方向信号输入端：高/低电平信号，为保证电机可靠换向，方向信号应先于脉冲信号至少

5μs建立。电机的初始运行方向与电机的接线有关，互换三相绕组U、V、W的任何两根线可以改变电机初始运行的方向，DIR-高电平时4～5V，低电平时0～0.5V。DIR－ENA+（+5V）使能信号输入端：此输入信号用于使能或禁止。ENA+接+5V，ENA-接低电平（或内部光耦导通）时，驱动器将切断电机各相的电流使电机处于自由状态，此时步进脉冲不被响应。当不需用此功能时，使能信号端悬空即可。ENA－U、V、W三相步进电机的接线端+V驱动器直流电源输入端正极，+18V～+50V间任何值均可，但推荐值+36VDC左右。GND驱动器直流电源输入端负极●光电隔离元件作用：电气隔离、抗干扰●共阳极接法、共阴极接法和差分方式接法●根据所选PLC来选择驱动器●西门子PLC输出信号为PNP输出（高电平信号），应采用共阴接法●三菱PLC输出信号为NPN输出（低电平信号），应采用共阳接法。2．步进驱动器的外部典型接线注意：一般PLC不能直接与步进驱动器相连，因为驱动器的控制信号是+5V，而PLC的输出信号为+24V。解决方法:如果VCC是5V，则不串电阻，如果VCC是12V时，串联R为1kΩ，大于1/8W电阻；如果VCC是24V时，R为2kΩ，大于1/8W电阻；R必须接在控制器信号端。所谓细分，就是通过设置驱动器来减小步距角。若步进电机的步距角为1.8°，旋转一周需要360/1.8=200步，若将细分设为10，则步距角被调整为0.18°，旋转一周需要2000步。

如86BYG250A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，参见下表（还以86BYG250A电机为例）：

电机固有步距角所用驱动器类型及工作状态电机运行时的真正步距角0.9°/1.8°驱动器工作在半步状态0.9°0.9°/1.8°细分驱动器工作在5细分状态0.36°0.9°/1.8°细分驱动器工作在10细分状态0.18°0.9°/1.8°细分驱动器工作在20细分状态0.09°0.9°/1.8°细分驱动器工作在40细分状态0.045°3．步进驱动器的细分设置步进电机驱动器细分的优点：

（1）完全消除了电机的低频振荡，使电机运行更加平稳均匀。

低频振荡是步进电机（尤其是反应式电机）的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果步进电机有时要在共振区工作（如走圆弧），选择细分驱动器是唯一的选择。（2）提高了电机的输出转矩尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约30-40%。（3）减小步进电机的步距角，提高电机的分辨率由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，‘提高电机的分辨率’是不言而喻的。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。3ND583步进驱动器的设置：3ND583步进驱动器侧面端子中间有8个白色的DIP功能设定开关，可以用来设定驱动器的工作方式和工作参数。开关序号ON功能OFF功能SW1—SW4动态电流设定SW5静态电流全流静态电流半流SW6—SW8细分设置用拨码开关工作电流设置表输出峰值电流（A）输出有效值电流（A）SW1SW2SW3SW42.11.500002.51.810002.92.101003.22.311003.62.600104.02.910104.53.201104.93.511105.33.800015.74.110016.24.401016.44.611016.94.900117.35.210117.75.501118.35.91111（1）动态电流设定。用SW1～SW4的4位拨码开关设置工作电流，一共可设置16个电流级别，如表所示。“1”表示ON，“0”表示OFF。为了能驱动多种功率的步进电机，大多数步进驱动器具有工作电流设置功能。通常驱动器的最大电流要略大于电机标称电流。对于同一电动机，电流设定值越大，电动机输出的转矩也越大，同时电动机和驱动器的发热也较严重。因此，一般情况下应把电流设定成电动机长时间工作出现温热但不过热的数值。细分设置表（2）细分设定。细分精度由SW6～SW8三位拨码开关设定，参见下表。“1”表示ON，“0”表示OFF。细分不能设置过大，在输入脉冲不变的情况下，细分设置越大，电机转速越慢，而且电机输出转矩也会变小。步/转SW6SW7SW8200111400011500101100000120001104000010500010010000000步进电机和所有电机一样，在不通电时，是可以用手转动的，不能自锁。步进电机一般是用于定位控制场合，对定位是有要求的，所以在实时控制停机时要求“带电自锁”。步进驱动器在停止时提供给步进电机的单相锁定电流称为静态电流。步进驱动器的静态电流由其面板上的拨码开关SW5设置，拨码开关设置为ON时，静态电流与工作电流相同，即静态电流为全流；拨码开关设置为OFF时，静态电流为待机自动半电流，即静态电流为半流。一般情况下，如果步进电机负载为提升类负载，静态电流应设为全流；对于平移动类负载，静态电流可设为半流。

c．静态电流设置四、西门子PLC的高速脉冲输出PTO

西门子S7-200PLC提供两个高速脉冲输出点（Q0.0和Q0.1），用来驱动步进电机和伺服电机，实现速度和位置的开环控制。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功能是指按照给定的脉冲个数和周期从Q0.0或Q0.1输出一串脉冲序列（占空比为50%的方波脉冲）。（1）脉冲数：输出脉冲的个数在1-4294967295范围内可调；（2）周期值：周期值为16位无符号数据，输出脉冲的周期以µs或ms为增量单位，周期范围为10～65

535

s或2～65

535ms。（3）周期设置时，设置值应为偶数，若设为奇数会引起输出波形占空比的轻微失真。周期设置值应大于2，若设置值小于2，系统将默认为2。

单段管线PTO：定义一个脉冲串，输出一个脉冲串（特性参数通过特殊寄存器分别定义）。单段管线支持脉冲串排队。

多段管线PTO：集中定义多个脉冲串，按顺序输出多个脉冲串（特性参数通过包络表集中定义）。脉冲串输出（PTO）

在PTO发生下，要输出多段脉冲串时，允许多个脉冲串排队输出。PTO输出多段脉冲的方式有两种形式：单段管线PTO和多段管线PTO。多段管线的包络表从包络表起始地址的字节偏移段说明VBn

总段数（1～255）；数值0产生非致命错误，无PTO输出VBn+1段1初始周期（2至65535个时基单位）VBn+3每个脉冲的周期增量Δ（符号整数：-32768至32767个时基单位）VBn+5脉冲数（1至4294967295）VBn+9段2初始周期（2至65535个时基单位）VBn+11每个脉冲的周期增量Δ（符号整数：-32768至32767个时基单位）VBn+13脉冲数（1至4294967295）VBn+17段3初始周期（2至65535个时基单位）VBn+19每个脉冲的周期增量值Δ（符号整数：-32768至32767个时基单位）VBn+21脉冲数（1至4294967295）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。1．脉冲输出指令PLSPLS指令用于S7-200CPU集成点Q0.0和Q0.1的高速脉冲输出，其指令格式及功能如表5-4所示。2024/4/22在PTO方式下，当输出完制定数量的脉冲后，产生高速脉冲段输出中断。在PTO/PWM0的中断事件号是19；2.在PTO/PWM1的中断事件号是20。3.注意：高速脉冲输出时，COU自动将PTO的空闲位SM66.7（或SM76.7）置1（空闲）。高速脉冲输出适用机型：输出高速脉冲信号时，应选用晶体管输出型PLC。2024/4/222．使用SM来配置和控制PTO操作每个PTO/PWM发生器都有一组配套参数：（1）一个状态字节（SMB66（8位）或SMB76（8位））；（2）一个控制字节（SMB67（8位）或SMB77（8位））；（3）一个周期值（SMW68或SMW78，不带符号的16位值）；（4）一个脉宽值（SMW70或SMW80，不带符号的16位值）；（5）一个脉冲数（SMD72或SMD82，不带符号的32位值）；对于多段的PTO，还有（1）一个段字节（8位）；（2）一个包络表起始地址（16位）。为定义和监控高速脉冲输出，这些值全部存储在指定的特殊寄存器（SM）中。如果要装入新的脉冲数、脉冲宽度和周期，选择所需的操作后，应该在执行PLS指令前装入这些值和控制寄存器，然后PLS指令会从特殊存储器SM中读取数据，并按照存储值控制PTO/PWM发生器。2024/4/222024/4/22PTO/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每一个高速脉冲输出都有一个状态字节，监控程序运行时某些操作的相应状态并根据运行状态使相应位置位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输出控制寄存器通过对控制字节的设置，可以控制高速脉冲输出的性质，如：时间基准、具体周期、输出模式（PTO/PWM）、更新方式等，是编程时初始化操作中必须完成的内容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）2024/4/22控制字节中各控制位的功能

通过对控制字节的设置，可以控制高速脉冲输出的性质，如：时间基准、具体周期、输出模式（PTO/PWM）、更新方式等，是编程时初始化操作中必须完成的内容。PTO/PWM输出控制寄存器（SMB67或SMB77）2024/4/22表5-6PTO控制字节参考控制寄存器

（十六进制）允许执行PLS指令的结果模式选择PTO段操作时基脉冲数周期16#81是PTO单段1

s/周期装载16#84是PTO单段1

s/周期装载16#85是PTO单段1

s/周期装载装载16#89是PTO单段1ms/周期装载16#8C是PTO单段1ms/周期装载16#8D是PTO单段1ms/周期装载装载16#A0是PTO多段1

s/周期16#A8是PTO多段1ms/周期教材此处“接触器”应修改为：“寄存器”3．PTO编程对单段管线，请遵循如下步骤。（1）将PTO的输出Q0.0或Q0.1复位为0，并调用初始化操作的子程序。由于采用了这样的子程序调用，后续扫描不会再调用这个子程序，从而减少了扫描时间，也提供了一个结构优化的程序。（2）初始化子程序中，设置PTO控制字节，即把表5-6中的控制字节（例如16#85）送入SMB67，目的是允许PTO功能，选择PTO操作，选择微秒或毫秒为时间基准，选择更新脉冲数和周期值。（3）向SMW68或SMW78写入所希望的周期值。（4）向SMD72或SMD82写入所希望的脉冲数。（5）建立中断连接（可选步骤）。如果你想在一个脉冲串输出（PTO）完成时立刻执行一个相关功能，则可以编程，用ATCH指令使脉冲串输出完成中断事件（事件号19或20）调用一个中断子程序，并执行全局中断运行指令ENI。（6）有启动信号时，执行PLS指令，输出单段脉冲。（7）退出子程序。如果要修改PTO的周期、脉冲数，可以在子程序或中断程序中执行。（1）根据要修改的内容，写入相应的控制字节值。（2）写入新的周期、脉冲数。（3）执行PLS指令，使S7-200CPU确认设置。对于多段PTO操作，可在主程序中调用初始化子程序。在子程序中：（1）写入包络表起始地址到相应特殊寄存器（包络表的具体内容可另行计算、编写）；（2）连接中断事件和程序，允许中断（可选）；（3）执行PLS指令，使S7-200CPU确认设置。如果要在脉冲输出执行过程中，停止脉冲输出：（1）设置控制字节，将PTO使能位置为0；（2）执行PLS指令，使S7-200CPU确认设置。例5-1

现有一台三相步进电机，步距角是1.5°，假设步进电机的运行速度为1

000Hz，旋转一周需要5

000个脉冲。它拖动机械手运动，如图5-9（a）所示，其旋转一周行走0.5cm。当闭合控制开关SA时，机械手从原点位置沿X轴右行10cm至SQ1停止；当断开控制开关SA时，步进电机回到原点位置，电动机的运行轨迹如图5-9（b）所示。图5-9电动机的运行轨迹（1）硬件电路图表5-7系统的I/O分配输

入输

出输入继电器输入元件作

用输出继电器输出元件作

用I0.0SA手动控制开关Q0.0PUL+脉冲信号I0.1SQ0原点位置Q0.2DIR+方向控制Q0.2=0，右行Q0.2=1，左行I0.2SQ1右限位Q0.3ENA+脱机控制Q0.3=0，步进电机轴抱死Q0.3=1，步进电机轴松开图5-10系统接线图步进驱动器的控制信号是5V，而西门子晶体管输出型PLC的输出信号是24V，因此在PLC与步进驱动器之间串联一只2kΩ的电阻，起分压作用。西门子PLC的输出是PNP方式，因此采用共阴极接法。步进电机旋转一周需要5

000个脉冲。因此按照表5-3，将步进驱动器3ND583的细分选择开关SW6、SW7、SW8分别置为“1”、“0”、“0”。（2）程序设计网络1首先对Q0.0进行复位操作，然后设置控制字节SMB67=16#8D，同时将脉冲周期1ms送入SMW68中，将脉冲数0送入SMD72中。将100

000送入SMD72中，同时启动脉冲输出指令PLS，使Q0.0输出周期为1ms，脉冲数为100

000个的脉冲，从而控制机械手右行10cm当机械手右行至SQ1（I0.2）或左行至SQ0（I0.1）的位置时，使能位SM67.7清零，然后执行PLS指令，便可立即停止PTO输出，控制步进电机停止。将16#8C送入SMB67中，同时将脉冲数100

000送入SMD72中，Q0.2=1，控制机械手左行10cm2024/4/22任务实施【训练工具、材料和设备】通用电工工具安装有STEP7-Micro/WIN软件的电脑1台西门子晶体管输出型PLC3ND583步进驱动器1台三相步进电机按钮2kΩ电阻3个1．硬件电路（1）I/O接线图输

入输

出输入继电器输入元件作

用输出继电器输出元件作

用I0.0SB1启动按钮Q0.0PUL+脉冲信号I0.1SB2停止按钮Q0.2DIR+方向控制Q0.2=0，正转Q0.2=1，反转Q0.3ENA+脱机控制Q0.3=0，步进电机轴抱死Q0.3=1，步进电机轴松开表5-8 步进电机正反转控制的I/O分配图5-12步进电机正反转控制电路图（2）设置步进驱动器的细分和电流。图5-13拨码开关位置图设置5

000步/转，需将控制细分的拨码开关SW6～SW8设置为ON、OFF、OFF半流设置工作电流为2.1A时，需将控制工作电流的拨码开关SW1～SW4设置为OFF、ON、OFF、OFF（3）三相电机的接线。图5-14三相电机的接线2．程序设计3．操作运行（1）首先完成图5-12中PLC和步进驱动器的接线，然后按照图5-13设置步进电机的工作电流、细分设置等。（2）给PLC和步进驱动器上电，将图5-15所示的程序下载到PLC中。（3）按下启动按钮，观察步进电机的运行情况，是否达到正转2周，再反转3周，反复运行；按下停止按钮，步进电机停止。（4）如果步进电机运行过程中，电机的旋转圈数不满足控制要求，检查步进电机驱动器的细分设置是否正确，检测SMD72中的数值是否为10

000或15

000；如果步进电机不运行，首先检查程序是否输入有误，然后检查控制系统的接线是否正确。知识拓展

在西门子S7-200PLC中，PTO的脉冲周期存储于特殊寄存器SMW68或SMW78中，因此要改变步进电机的转速，必须改变SMW68或SMW78中的脉冲周期。但在PTO脉冲串执行过程中，不能通过PLS指令改变当前运行时的周期值，必须PTO停止后才能更改。因此，为了使步进电机的速度立即改变，在改变SMW68或SMW78中的脉冲周期之前，必须先将步进电机停止，这是至关重要的。例5-2

某步进电机控制系统有两个运行速度，闭合速度开关1，选择周期值为500ms的速度运行，闭合速度开关2，选择周期值为200ms的速度运行，控制系统的I/O分配如表5-9所示。试编写步进电机调速控制程序。表5-9 步进电机调速控制的I/O分配输

入输

出输入继电器输入元件作

用输出继电器输出元件作

用I0.0SB1启动按钮Q0.0PUL+脉冲信号I0.1SB2停止按钮Q0.2DIR+方向控制Q0.2=0，正转Q0.2=1，反转I0.2SA1速度选择1Q0.3ENA+脱机控制Q0.3=0，步进电机轴抱死Q0.3=1，步进电机轴松开I0.3SA2速度选择2I0.4SA3方向选择2024/4/22任务5.2工作台的位置控制任务导入

步进电机拖动工作台的位置控制示意图如图5-17所示，当工作台位于原点位置时，按下启动按钮，工作台以20

000脉冲/s的速度向右运行，运行到右限位时（需要500

000个脉冲），工作台停止。如果工作台不在原点位置，闭合寻零模式开关，工作台将以8

000脉冲/s的速度向原点位置移动，碰到原点开关后，改变步进电机旋转方向，并将寻原点速度降为500脉冲/s，反方向回来再碰到原点开关的下降沿后立即停止。相关知识一、

S7-200PLC运动控制实现方式S7-200PLC可使用以下方式实现运动控制功能。（1）S7-200CPU本体的高速脉冲输出。①使用PLS指令编程。②使用PTO位控向导。③使用MAP库。（2）EM253位置控制模块。S7-200CPU除CPU224XPSi以外，都只能接PNP输入信号的步进或伺服驱动器。CPU224XPSi可以接NPN输入信号的步进或伺服驱动器。EM253可以接NPN或者差分输入信号的步进或伺服驱动器。S7-200PLC能控制哪些类型的步进或伺服驱动器？二、

PTO位置控制向导PTO向导具有以下主要功能。（1）手动运行。（2）包络运动。S7-200CPU最多允许25个包络，一个包络表可以包含1～29个步。包络运动可选以下两种操作模式。①单速连续运转。②相对位置。（3）停止当前的连续运动包络，并增加向导包络定义中指定的脉冲数。（4）改变当前位置为指定的新位置。三、

位置控制向导的基本信息1．最大速度（MAX_SPEED）和启动/停止速度（SS_SPEED）图5-18步进电机运动轨迹示意图允许的步进电机操作速度的最大值。计算公式为最高电机速度（脉冲/s）

=

电机额定转速（r/s）×

电机每转一圈所需脉冲数（脉冲/r）启动/停止速度的值是最大速度的5%～15%加速时间减速时间2．加速时间和减速时间3．移动包络

移动包络是一个预定义的移动描述，它包括一个或多个速度，影响着从起点到终点的移动。例已知步进电机的启动频率为2kHz（A）点，经过400个脉冲加速后频率上升到10kHz（B点和C点），恒速转动的脉冲数为4000个，减速过程脉冲数为200个，频率下降为2kHz（D点），其频率特性如图所示。（1）选择包络的操作模式PTO支持相对位置和单一速度的连续转动。图5-19一个包络的操作模式相对位置模式指的是运动的终点位置是起点侧开始计算的脉冲数量单速连续转动则不需要提供终点位置，PTO一直持续输出脉冲，直至有其他命令发出，如到达原点要求停发脉冲（2）包络中的步

一个步是工件运动的一个固定距离，包括加速和减速时间内的距离。PTO每一包络最大允许29个步。图5-20移动包络示意图每一步指定目标速度和结束位置或脉冲数目，且每次输入一步匀速段步的数目与包络中匀速段的数目一致。四、

位控向导产生的子程序介绍停止控制子程序运行子程序手动运行控制子程序装载位置子程序1．PTOx_CTRL子程序（控制）立即停止减速停止一直使用SM0.0作为EN的输入完成信号，ON表示完成错误代码当前位置在程序中仅能使用该子程序一次，并保证每个扫描周期该子程序都被执行。2．PTOx_RUN子程序（运行包络）启动允许启动信号，上升沿包络编号终止命令，为ON时，将终止当前包络完成信号，ON表示完成错误代码输出正执行的包络输出正执行的包络步当前位置，与高速计数器有关3．PTOx_MAN子程序（手动模式）手动启动/停止设定运行速度错误代码当前位置，与高速计数器有关4．PTOx_LDPOS子程序（装载位置）

改变PTO脉冲计数器的当前位置值为一个新值。可以使用该指令为任何一个运动命令建立一个新的零位置，其格式如图。接通EN位使能该指令接通START参数，以装载一个新的位置值到PTO脉冲计数器提供一个新的值替代报告的当前位置值完成信号，ON表示完成错误代码当前位置2024/4/22任务实施【训练工具、材料和设备】通用电工工具安装有STEP7-Micro/WIN软件的电脑1台西门子晶体管输出型PLC3ND583步进驱动器1台三相步进电机按钮2kΩ电阻3个一、

硬件电路表5-10 工作台位置控制的I/O分配输

入输

出输入继电器输入元件作

用输出继电器输出元件作

用I0.0SB1启动按钮Q0.0PUL+脉冲信号I0.1SB2停止按钮Q0.2DIR+方向控制Q0.2=0，右行Q0.2=1，左行I0.3SA寻零模式Q0.3ENA+脱机控制Q0.3=0，步进电机轴抱死Q0.3=1，步进电机轴松开I0.4SQ原点开关其他元件元件名称作用V200.0找到原点标志V240.0寻零功能块完成VD222寻零速度给定图5-23工作台位置控制电路图二、

程序设计1．PTO向导配置（1）用户可在STEP7Micro/Win编程软件中的【工具】菜单下选择【位置控制向导】命令，因为要使用PLC本体的快速输出Q0.0控制步进电机，所以在【位置控制向导】界面选择【配置S7-200PLC内置PTO/PWM操作】。图5-24位控向导启动界面2024/4/22（2）在图5-24中单击“下一步”按钮，选择脉冲快速输出为Q0.0，如图5-25所示。图5-25选择配置的快速脉冲2024/4/22（3）单击图5-25中的“下一步”按钮，设置Q0.0脉冲输出方式是PTO模式，即输出的方波脉冲的占空比为50%，这是步进电机驱动器能接收的脉冲方式。为了能够监控发出的脉冲，将HSCO勾选，如图5-26所示。图5-26脉冲输出方式选择2024/4/22（4）设置步进电机的最大速度和启动/停止速度。图5-27设置电机速度参数2024/4/22（5）设置加速时间和减速时间分别为2

000ms和1

500ms，西门子推荐不要将加减速时间设置小于0.5s。图5-28加减速时间设置2024/4/22（6）单击图5-28中的“下一步”按钮，进入配置运动包络的界面，如图5-29所示。单击【新包络】按钮添加一个新的运动包络，操作如图5-29所示。图5-29添加新包络2024/4/22（7）设置运动包络的操作模式、目标速度、结束位置等。图5-30设置第0个包络202