西門子PLC控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì).doc

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西門子PLC控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)發(fā)展 步進(jìn)電機(jī)現(xiàn)狀 自問世以來，步進(jìn)電機(jī)很快確定了在開環(huán)高分辨率的定位系統(tǒng)中的主導(dǎo)地位。在工業(yè)技術(shù)高速發(fā)展的今天，還未有適合的取代產(chǎn)品出現(xiàn)。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛應(yīng)用，但并不能像普通的直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)那樣在常規(guī)電氣控制中使用。它須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)，涉及很多機(jī)械與電氣控制方面知識(shí)。 我國(guó)生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家不少，但能自行開發(fā)研究的廠家卻較少，大部分廠家規(guī)模比較小。我國(guó)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品發(fā)展有自己的特點(diǎn)：20世紀(jì)80年代以前是以磁阻式步進(jìn)電機(jī)為主，20世紀(jì)80年代后期開始發(fā)展混合式步進(jìn)電機(jī)。產(chǎn)品從相數(shù)上分有二相、三相、四相、五相，從步距上分有/、/，從規(guī)格上分有，從靜力矩上分有0.140N.m。 從大功率驅(qū)動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)上，大扭矩步進(jìn)電機(jī)沒有市場(chǎng)，無論是在經(jīng)濟(jì)上、噪聲、加速度、系統(tǒng)慣量、最大扭矩等方面，都不如采用伺服電動(dòng)機(jī)或是直流電動(dòng)機(jī)加編碼器好。步進(jìn)電機(jī)主要是應(yīng)用在小功率場(chǎng)合?？偟膩碚f，步進(jìn)電機(jī)是一種簡(jiǎn)單的開環(huán)控制，不適合在大功率場(chǎng)合使用。具體的應(yīng)用場(chǎng)合如下： (1) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，如數(shù)控雕刻機(jī)、數(shù)控磨床，數(shù)控銑镋床等。 (2) 工業(yè)生產(chǎn)裝備，如連續(xù)式、間歇式包裝機(jī)，機(jī)械手等。 (3) 工業(yè)器材方面，如拿放裝置、性能測(cè)試裝備等。 (4) 小型自動(dòng)化辦公設(shè)備，如啟動(dòng)打標(biāo)機(jī)、貼標(biāo)機(jī)、割字機(jī)、激光打標(biāo)記繪圖儀等。 步進(jìn)電機(jī)發(fā)展趨勢(shì) 步進(jìn)電機(jī)今后繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。隨著電動(dòng)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(dòng)機(jī)也必須越來越小，在57、42機(jī)座號(hào)的電動(dòng)機(jī)應(yīng)用了多年后，現(xiàn)在其機(jī)座號(hào)向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近還研制出外徑僅10mm的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 除了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，線性步進(jìn)電機(jī)近些年來發(fā)展也很快，它減少了零部件，幾乎沒有磨損或維修，并且易于結(jié)合機(jī)器使用，非常適合在輕負(fù)載的情況下使用。 步進(jìn)電機(jī)控制原理 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)是一種非常重要的自動(dòng)化執(zhí)行元件，它能將電脈沖轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)軸的角位移。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào), 它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”), 當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器一個(gè)一個(gè)地接收到若干個(gè)脈沖時(shí)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。因此，可以通過控制進(jìn)給脈沖的個(gè)數(shù)來控制電動(dòng)機(jī)的角位移量, 從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的 步進(jìn)電機(jī)基本工作原理 步進(jìn)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成的。定子的每對(duì)極上都繞有一對(duì)繞組，構(gòu)成一相繞組，共三相稱為A、B、C三相。 圖4_1 步進(jìn)電機(jī)線圈繞組 在定子磁極和轉(zhuǎn)子上都開有齒分度相同的小齒，采用適當(dāng)?shù)凝X數(shù)配合,當(dāng)A相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒一一對(duì)應(yīng)時(shí)，B相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子 小齒相互錯(cuò)開1/3齒距，C相則錯(cuò)開2/3齒距。如圖所示 圖4_2 電機(jī)齒輪 上圖中，A相繞組與齒1、5一一對(duì)應(yīng)，而此時(shí)B相繞組與齒2錯(cuò)開1/3齒距，而與齒3錯(cuò)開2/3齒距，C相繞組與齒3錯(cuò)開2/3齒距，而與齒4錯(cuò)開1/3齒距。 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(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由繞組通電的順序決定。 步進(jìn)電機(jī)一些基本參數(shù) (1) 電機(jī)固有步距角 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào), 電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值, 如57BYG46403 型電機(jī)給出的值為0.9/1.8( 表示半步工作時(shí)為0.9、整步工作時(shí)為1.8) , 這個(gè)步距角可以稱之為‘電機(jī)固有步距角’, 它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角,真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。 (2) 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)。電機(jī)相數(shù)不同, 其步距角也不同, 一般二相電機(jī)的步距角為0.9/1.8、三相的為0.75/1.5、五相的為0.36/0.72。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí), 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。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器, 則‘相數(shù)’將變得沒有意義, 用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù), 就可以改變步距角。 (3)保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE） 是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一, 通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)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。比如, 當(dāng)人們說2N.m 的步進(jìn)電機(jī), 在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。 （4）啟動(dòng)頻率（fq0） 空載時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止突然啟動(dòng)，并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行所允許的最高頻率，稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率，用fq表示。若啟動(dòng)時(shí)頻率大于突跳頻率，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就不能正常啟動(dòng)。Fq與負(fù)載慣量有關(guān)，一般說來隨著負(fù)載慣量的增長(zhǎng)而下降?？蛰d起動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù) 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行需要各相電流滿足一定的時(shí)序要求, 而電磁力的大小與繞組通電電流的大小有關(guān), 如果繞組中電流不再是方波, 而是一個(gè)分成個(gè)臺(tái)階的近似階梯波, 電機(jī)每運(yùn)行一個(gè)階梯即轉(zhuǎn)動(dòng)一步。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)小步時(shí), 實(shí)際上相當(dāng)于轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角, 這就是所謂的細(xì)分。以二相步進(jìn)電機(jī)為例式（1）、式（2）為A、B相電流公式, 式(3)、式(4)則為分別的力矩。 這里是轉(zhuǎn)矩的常量, 矢量合成式（3）、式（4）得到 可見, 細(xì)分前后合成力矩并沒有變化, 但是電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性卻增加了。圖1-3的上半部分為整步運(yùn)行下的A、B兩相的電流圖。可以看出1、2、3、4點(diǎn)的合成力矩相等, 但是連續(xù)性不好, 尤其在低頻運(yùn)行時(shí)會(huì)有明顯的振動(dòng)。而經(jīng)過細(xì)分的則不同, 如圖下半部分所示, 將整步的一拍分成了四步來完成, 即四細(xì)分。每一微步的電流合成大小都一樣, 這樣使得每一步過渡更加平穩(wěn), 有效抑制了振動(dòng), 并減少了失步。 圖4_3 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分技術(shù) 由此可見， 細(xì)分驅(qū)動(dòng)能極大地改善步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性,近幾年來由于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 細(xì)分技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。 高速脈沖產(chǎn)生與高速計(jì)數(shù)功能 西門子S7-300 PLC中的CPU312C、CPU313C、CPU313-2DP等型號(hào)，集成有用于高速計(jì)數(shù)以及高頻脈沖輸出的通道，可用于高速計(jì)數(shù)或高頻脈沖輸出。 該類型PLC有3個(gè)用于高速計(jì)數(shù)或高頻脈沖輸出的特殊通道，3個(gè)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。再需要高頻脈沖輸出時(shí)，可通過硬件設(shè)置定義這三位的屬性，將其作為高頻脈沖輸出通道來使用。 4.3.1 設(shè)置硬件通道 為普通數(shù)字量輸出點(diǎn)使用時(shí)，其系統(tǒng)默認(rèn)地址為Q124.0、Q124.1、Q124.2（可自行修改），作為高速脈沖輸出時(shí)，對(duì)應(yīng)的通道分別為0通道、1通道、2通道（通道號(hào)為固定值，不能自行修改）。每一通道都可輸出最高頻率為2.5KHZ（周期為0.4ms）的高頻脈沖。 步驟1：雙擊“Hardware”,進(jìn)入硬件組態(tài)界面 圖4_4 硬件組態(tài)界面 步驟2：雙擊“Count”,打開通道設(shè)置對(duì)話框 圖4_5 通道設(shè)置對(duì)話框 步驟3：選擇“Channel_1“Operating”選擇為“pulse –width modulation” 圖 4_6 選擇產(chǎn)生脈沖 步驟4：選擇產(chǎn)生脈沖的周期、延遲產(chǎn)生的參數(shù)等。 圖4_7 設(shè)置脈沖參數(shù) 單擊“OK完成配置。下面對(duì)高速計(jì)數(shù)通道進(jìn)行配置，和前面一樣的內(nèi)容不進(jìn)一步介紹，下面主要對(duì)不同的設(shè)置做出說明。具體過程如下： 步驟1：選擇通道0，選擇連續(xù)計(jì)數(shù)功能。 圖4_8 高速計(jì)數(shù)選擇界面 步驟2：打開計(jì)數(shù)選項(xiàng)卡 圖4_9 計(jì)數(shù)參數(shù)設(shè)置 單擊 “OK”完成設(shè)置。 這樣，硬件的配置就完成了。但是，除了硬件的配置外，還要進(jìn)行軟件的研究，下面就會(huì)對(duì)西門子S7-300PLC的脈沖產(chǎn)生與計(jì)數(shù)進(jìn)行分析。 系統(tǒng)功能塊SFB49 選中項(xiàng)目下最后一級(jí)子菜單Blocks，并雙擊Blocks中的OB1進(jìn)入程序編輯器，在OB1中，調(diào)用SFB49。過程如下：在指令集工具中，找到library（庫(kù)）->standard library（標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)）->system Function Blocks（系統(tǒng)功能塊）菜單，并雙擊該菜單下的系統(tǒng)功能塊SFB49進(jìn)行調(diào)用 圖4_10 系統(tǒng)功能塊SFB49 部分參數(shù)含義： 參數(shù)符號(hào) 地址/類型 含義 其它 CHANNEL DBW2/INT 通道號(hào) SW_EN DBX4.0/BOOL 軟件控制門 OUTP_VAL DBW6/INT 脈沖占空比設(shè)置 系統(tǒng)功能塊SFB47 選中項(xiàng)目下最后一級(jí)子菜單Blocks，并雙擊Blocks中的OB1進(jìn)入程序編輯器，在OB1中，調(diào)用SFB47。過程如下：在指令集工具中，找到library（庫(kù)）->standard library（標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)）->system Function Blocks（系統(tǒng)功能塊）菜單，并雙擊該菜單下的系統(tǒng)功能塊SFB47進(jìn)行調(diào)用 圖4_11系統(tǒng)功能塊SFB47 部分參數(shù)含義： 參數(shù)符號(hào) 地址/類型 含義 其它 CHANNEL DBW2/INT 通道號(hào) SW_GATE DBX4.0/BOOL 高速計(jì)數(shù)軟件控制門 JOB_REQ DBX4.3/BOOL 寫請(qǐng)求 JOB_ID DBW6/WORD JOB_VAL DBD8/DINT COUNTVAL DBD14/DINT 計(jì)數(shù)值 兩通道均采用軟件門控制，這樣可以較為容易利用軟件實(shí)現(xiàn)。 步進(jìn)電機(jī)控制方案設(shè)計(jì) 使用PLC控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)，可使用PLC產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)所需要的各種時(shí)序的脈沖。 控制工藝提出 根據(jù)波峰焊接機(jī)構(gòu)對(duì)助焊劑泵運(yùn)動(dòng)的要求，提出以下的控制工藝，主要是要能根據(jù)PCB板確定泵移動(dòng)的范圍，不能有累積誤差，因此用步進(jìn)電機(jī)可以很好的實(shí)現(xiàn)這種控制要求。 圖4_12 步進(jìn)電機(jī)控制工藝 上圖箭頭表示計(jì)數(shù)方向，從初始位置向左右移動(dòng)的過程計(jì)數(shù)，返回途中不進(jìn)行計(jì)數(shù)操作。脈沖發(fā)出有軟件控制門控制，當(dāng)助焊劑泵動(dòng)作時(shí)，產(chǎn)生脈沖，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位操作。助焊劑泵停止動(dòng)作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行到初始位置停機(jī)。 控制方案設(shè)計(jì) 根據(jù)上下位機(jī)的監(jiān)控、執(zhí)行原理可得到如下圖所示的控制原理圖。同時(shí)根據(jù)此圖可以畫出系統(tǒng)的接線圖。 圖4_13 步進(jìn)電機(jī)控制原理圖 西門子PLC與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連時(shí)，采用共陽(yáng)極方式連接，I0.1為高速計(jì)數(shù)控制門，始終置“ON”。Q0.0口輸出高頻脈沖，通過I0.0對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。0.3控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，Q0.3=1正轉(zhuǎn)，Q0.3=0反轉(zhuǎn)。Q0.1控制脈沖產(chǎn)生。 圖4_14步進(jìn)電機(jī)控制接線圖 PLC程序?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制 步進(jìn)電機(jī)控制程序參數(shù)分配表 地址 符號(hào) 含義 M20.0 助焊劑泵工作信號(hào) DB3.DBX0.0 上電記憶信號(hào) DB3.DBX0.1 斷電記憶信號(hào) I1.7 BG14 初始位置 I1.5 BG12 左移限位 I1.6 BG13 右移限位 Q0.2 GSMC_GATE 脈沖軟件控制門 Q0.3 電機(jī)方向判斷 助焊劑泵工作、停機(jī)記憶 圖 4_15助焊劑泵工作、停機(jī)記憶信號(hào) 此記憶信號(hào)的作用，是控制脈沖的產(chǎn)生。即通電時(shí)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，斷電時(shí)，繼續(xù)產(chǎn)生脈沖信號(hào)直至助焊劑泵回到初始位置。 脈沖與計(jì)數(shù)控制邏輯 圖4_16 脈沖軟件控制門控制邏輯 工作原理： 通電信號(hào)M20.0的上升沿活著下降沿將置位Q0.2，此時(shí)脈沖信號(hào)發(fā)出。斷電后即M20.0的下降沿到達(dá)，M30.0為“OFF”，助焊劑泵繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至回到初始位置I1.7。 圖4_17 每次返回時(shí)斷開計(jì)數(shù)器 圖4_18沖計(jì)數(shù)器控制邏輯 圖4_19脈沖數(shù)值測(cè)量控制程序 M30.0為ON且經(jīng)過I1.7時(shí)候開始計(jì)數(shù)。每次到達(dá)兩端位置處停止計(jì)數(shù)，M30.1左行計(jì)數(shù)值達(dá)到的記憶信號(hào)。同理，M30.2為右行計(jì)數(shù)值達(dá)到的記憶信號(hào)。此時(shí)復(fù)位計(jì)數(shù)器，助焊劑泵向初始位置方向移動(dòng)，到達(dá)I1.7時(shí)重新開始計(jì)數(shù)。右行同左行原理。返回時(shí)斷開計(jì)數(shù)器。 4.5.4 電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向控制 圖4_20電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向判斷 在Q0.3=1時(shí)，正向記憶信號(hào)為40.1,反向時(shí)保持信號(hào)100ms。Q0.3=0時(shí)，反向記憶信號(hào)為40.2,正向時(shí)保持信號(hào)100ms。這里的100MS主要是為了，錯(cuò)開Q0.3與記憶信號(hào)的同步狀態(tài)，如下圖所示。 圖4_21正反向運(yùn)動(dòng)控制與記憶信號(hào)時(shí)序圖 圖4_22 正向記憶信號(hào) 圖4_23 反向記憶信號(hào) 初始位置判斷與復(fù)位 圖4_24 啟動(dòng)與停止時(shí)產(chǎn)生高速脈沖 斷電時(shí)不立即斷開脈沖，而是當(dāng)助焊劑泵運(yùn)動(dòng)到初始位置才會(huì)斷開脈沖。當(dāng)斷電后，助焊劑泵運(yùn)動(dòng)到I1.7位置處，停止產(chǎn)生脈沖，電機(jī)停止運(yùn)行。 圖4_25 斷電時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)