步進(jìn)電機(jī)控制及高速脈沖指令

1、步進(jìn)控制系統(tǒng)的組成控制器1.PLC、單片機(jī)、位置控制模塊等。2.產(chǎn)生脈沖和方向信號(hào)。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器1.對(duì)控制器送來的脈沖和方向信號(hào)進(jìn)行放大和分配。步進(jìn)電機(jī)和工作臺(tái)步進(jìn)電機(jī)按照分配來的信號(hào)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)。步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。 脈沖數(shù)越多電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度越大。脈沖的頻率越高電機(jī)的轉(zhuǎn)速越快，但不能超過最高頻率否則電機(jī)的力矩會(huì)迅速減小，電機(jī)不轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的種類分 類 方 式 具 體 類 型 按力矩產(chǎn)生的原理 （

2、1）反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子無繞組，由被激磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行（2）激磁式：定、轉(zhuǎn)子均有激磁繞組（或轉(zhuǎn)子用永久磁鋼），由電磁力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行 按輸出力矩大小 （1）伺服式：輸出力矩在百分之幾之幾至十分之幾（Nm）只能驅(qū)動(dòng)較小的負(fù)載，要與液壓扭矩放大器配用，才能驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)等較大的負(fù)載（2）功率式：輸出力矩在5-50 Nm以上，可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)等較大的負(fù)載 按定子數(shù) （1）單定子式（2）雙定子式（3）三定子式（4）多定子式 按各相繞組分布 （1）徑向分布式：電機(jī)各相按圓周依次排列（2）軸向分布式：電機(jī)各相按軸向依次排列 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)目前，我國使用的步進(jìn)電機(jī)多為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。在反應(yīng)

3、式步進(jìn)電機(jī)中，有軸向分相和徑向分相兩種 軸向分相：各相繞組按軸向依次排列。 徑向分相：各相繞組按圓周依次排列。軸向分布步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)的工作原理實(shí)際上是電磁鐵的作用原理。 當(dāng)某相定子勵(lì)磁后：它吸引轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的齒與該相定子磁極上的齒對(duì)齊，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，換一相得電時(shí)，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，如此每相不停地輪流通電，轉(zhuǎn)子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)繞組的通斷電狀態(tài)每改變一次，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。步進(jìn)電機(jī)工作原理三相單三拍。得電相序?yàn)锳-B-C-A 步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)三相單三拍。得電相序?yàn)锳-C-B-A 步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電機(jī)的運(yùn)行方向與通電的相序有關(guān)，改變通電的相序，電機(jī)的運(yùn)行方向會(huì)改變。步

4、進(jìn)電機(jī)工作原理上面所述的這種通電方式稱為三相三拍。還有一種三相六拍的通電方式，它的通電順序是：順時(shí)針為A AB B BC C CA A ；逆時(shí)針為A AC C CB B BA A。若以三相六拍通電方式工作，當(dāng)A相通電轉(zhuǎn)為A和B同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的磁極將同時(shí)受到A相繞組產(chǎn)生的磁場和B相繞組產(chǎn)生的磁場的共同吸引，轉(zhuǎn)子的磁極只好停在A和B兩相磁極之間，這時(shí)它的步距角等于30。當(dāng)由A和B兩相同時(shí)通電轉(zhuǎn)為B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極再沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30，與B相磁極對(duì)齊。其余依此類推。采用三相六拍通電方式，可使步距角縮小一半。 步進(jìn)電機(jī)工作原理綜上所述，可以得到如下結(jié)論：(1) 步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，

5、它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個(gè)確定的角度，即步進(jìn)電機(jī)的步距角；(2) 改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變；(3) 步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高；(4) 步進(jìn)電機(jī)步距角與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z、通電方式k有關(guān)，可用下式表示： 式中m相m拍時(shí)，k=1；m相2m拍時(shí)，k=2；依此類推。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器原理從步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理可以看出，要使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行，必須按規(guī)律控制步進(jìn)電機(jī)的每一相繞組得電。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收外部的信號(hào)是方向信號(hào)（DIR）和脈沖信號(hào)（CP）。另外步進(jìn)電機(jī)在停止時(shí)，通常有一相得電，電機(jī)的轉(zhuǎn)子被鎖住，所以

6、當(dāng)需要轉(zhuǎn)子松開時(shí)，可以使用脫機(jī)信號(hào)（FREE）.步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器環(huán)型分配器的功能：主要是把外部CP端送入的脈沖進(jìn)行分配，給功率放大器，功率放大器相應(yīng)的晶體管導(dǎo)通，步進(jìn)電機(jī)的線圈得電。步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和PLC之間的連接步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器工作模式 有三種基本的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式：整步、半步、細(xì)分。其主要區(qū)別在于電機(jī)線圈電流的控制精度（即激磁方式）。整步驅(qū)動(dòng)在整步運(yùn)行中，同一種步進(jìn)電機(jī)既可配整/半步驅(qū)動(dòng)器也可配細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，但運(yùn)行效果不同。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器按脈沖/方向指令對(duì)兩相步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)線圈循環(huán)激磁（即將線圈充電設(shè)定電流），這種驅(qū)動(dòng)方式的每個(gè)脈沖將使電機(jī)移動(dòng)一個(gè)基本步距角，即1.80 度(標(biāo)準(zhǔn)兩相電機(jī)的一圈共有20

7、0個(gè)步距角)。 半步驅(qū)動(dòng)在單相激磁時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸停至整步位置上，驅(qū)動(dòng)器收到下一脈沖后，如給另一相激磁且保持原來相繼處在激磁狀態(tài)，則電機(jī)轉(zhuǎn)軸將移動(dòng)半個(gè)步距角，停在相鄰兩個(gè)整步位置的中間。如此循環(huán)地對(duì)兩相線圈進(jìn)行單相然后雙相激磁步進(jìn)電機(jī)將以每個(gè)脈沖0.90度的半步方式轉(zhuǎn)動(dòng)。所有Leadshine公司的整/半步驅(qū)動(dòng)器都可以執(zhí)行整步和半步驅(qū)動(dòng)，由驅(qū)動(dòng)器撥碼開關(guān)的撥位進(jìn)行選擇。和整步方式相比，半步方式具有精度高一倍和低速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較小的優(yōu)點(diǎn)，所以實(shí)際使用整/半步驅(qū)動(dòng)器時(shí)一般選用半步模式。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)細(xì)分驅(qū)動(dòng)模式具有低速振動(dòng)極小和定位精度高兩大優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于有時(shí)需要低速運(yùn)行（即電機(jī)轉(zhuǎn)軸有時(shí)工作在60rpm以下）或

8、定位精度要求小于0.90度的步進(jìn)應(yīng)用中，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器獲得廣泛應(yīng)用。其基本原理是對(duì)電機(jī)的兩個(gè)線圈分別按正弦和余弦形的臺(tái)階進(jìn)行精密電流控制，從而使得一個(gè)步距角的距離分成若干個(gè)細(xì)分步完成。如上圖所示。例如十六細(xì)分的驅(qū)動(dòng)方式可使每圈200標(biāo)準(zhǔn)步的步進(jìn)電機(jī)達(dá)到每圈200*16=3200步的運(yùn)行精度（即0.1125）。Leadshine公司可提供規(guī)格齊全、性能優(yōu)越、品質(zhì)可靠、價(jià)格優(yōu)惠的十余款細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器有關(guān)細(xì)分的設(shè)置什么叫細(xì)分？為了提高步進(jìn)電機(jī)控制的精度，現(xiàn)在的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器都有細(xì)分功能，所謂細(xì)分就是通過驅(qū)動(dòng)器中電路的方法把把步距角減小。例如把步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置成5細(xì)分，假設(shè)原來步距角為1.8，那么設(shè)置

9、成5細(xì)分后，步距角就是0.36。即原來一步可以走完的，設(shè)置成細(xì)分后需要走5步。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器有關(guān)細(xì)分的設(shè)置設(shè)置細(xì)分時(shí)要注意的事項(xiàng)：1、一般情況先細(xì)分?jǐn)?shù)不能設(shè)置過大，因?yàn)樵诳刂泼}沖頻率不變的情況下，細(xì)分越大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越慢，而且電機(jī)的輸出力矩減小。2、驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率不能太高，一般不超過2KHz，否則電機(jī)輸出的力矩迅速減小。設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的撥碼開關(guān)，使其輸出相電流為1.05A，細(xì)分?jǐn)?shù)為4。滾珠絲杠的導(dǎo)程為5mm，整步方式下步距角為1.8。在沒有設(shè)置細(xì)分時(shí)步距角是1.8，即200個(gè)脈沖/轉(zhuǎn)。設(shè)置成4細(xì)分后，則是800脈沖/轉(zhuǎn)。相當(dāng)一個(gè)導(dǎo)程需要800個(gè)脈沖。高速脈沖輸出高速脈沖輸出有脈沖串輸出PT

10、O和脈寬調(diào)制輸出PWM兩種形式。每個(gè)CPU有兩個(gè)PTO/PWM發(fā)生器，一個(gè)發(fā)生器分配給輸出端Q0.0，另一個(gè)分配給Q0.1。當(dāng)Q0.0或Q0.1設(shè)定為PTO或PWM功能時(shí)，其他操作均失效。不使用PTO/PWM發(fā)生器時(shí)，Q0.0或Q0.1作為普通輸出端子使用。通常在啟動(dòng)PTO或PWM操作之前，用復(fù)位R指令將Q0.0或Q0.1清0。脈沖串輸出（PTO） PTO功能可輸出一定脈沖個(gè)數(shù)和占空比為50%的方波脈沖。輸出脈沖的個(gè)數(shù)在1-4 294 967 295范圍內(nèi)可調(diào)；輸出脈沖的周期以s或ms為增量單位，變化范圍分別是1065 535s或265 535ms。 如果周期小于兩個(gè)時(shí)間單位，周期被默認(rèn)為兩個(gè)

11、時(shí)間單位。如果指定的脈沖數(shù)為0，則脈沖數(shù)默認(rèn)為1。 PTO功能允許多個(gè)脈沖串排隊(duì)輸出，從而形成流水線。流水線分為兩種：單段流水線和多段流水線。 單段管（流水）線是指流水線中每次只能存儲(chǔ)一個(gè)脈沖串的控制參數(shù)，初始PTO段一旦起動(dòng)，必須按照對(duì)第二個(gè)波形的要求立即刷新特殊存儲(chǔ)器，并再次執(zhí)行PLS指令，在第一個(gè)脈沖串完成后，第二個(gè)脈沖串輸出立即開始，重復(fù)這一步驟可以實(shí)現(xiàn) 多個(gè)脈沖串的輸出。單段流水線中的各段脈沖串可以采用不同的時(shí)間基準(zhǔn)，但有可能造成脈沖串之間的不平穩(wěn)過渡。輸出多段高速脈沖時(shí)，編程復(fù)雜。 多段管（流水）線是指在變量存儲(chǔ)區(qū)V建立一個(gè)包絡(luò)表（包絡(luò)表Profile是一個(gè)預(yù)先定義的橫坐標(biāo)為位置、

12、縱坐標(biāo)為速度的曲線，是運(yùn)動(dòng)的圖形描述）。包絡(luò)表存放每個(gè)脈沖串的參數(shù)，執(zhí)行PLS指令時(shí)，S7200 PLC自動(dòng)按包絡(luò)表中的順序及參數(shù)進(jìn)行脈沖串輸出。包絡(luò)表中每段脈沖串的參數(shù)占用8個(gè)字節(jié)，由一個(gè)16位周期值（2字節(jié)）、一個(gè)16位周期增量值（2字節(jié)）和一個(gè)32位脈沖計(jì)數(shù)值（4字節(jié)）組成。段周期增量=|段終止周期-段初始周期|/脈沖數(shù)量脈沖串輸出（PTO）多段流水線的包絡(luò)表從包絡(luò)表起始地址的字節(jié)偏移段說 明VBn總段數(shù)（1255）；數(shù)值0產(chǎn)生非致命錯(cuò)誤，無PTO輸出VBn+1段1初始周期（2至65 535個(gè)時(shí)基單位）VBn+3每個(gè)脈沖的周期增量（符號(hào)整數(shù)：-32 768至32 767個(gè)時(shí)基單位）VBn

13、+5脈沖數(shù)（1至4 294 967 295）VBn+9段2初始周期（2至65535個(gè)時(shí)基單位）VBn+11每個(gè)脈沖的周期增量（符號(hào)整數(shù)：-32 768至32 767個(gè)時(shí)基單位）VBn+13脈沖數(shù)（1至4 294 967 295）VBn+17段3初始周期（2至65 535個(gè)時(shí)基單位）VBn+19每個(gè)脈沖的周期增量值（符號(hào)整數(shù)：-32 768至32 767個(gè)時(shí)基單位）VBn+21脈沖數(shù)（1至4 294 967 295）3 PTO/PWM寄存器 Q0.0和Q0.1輸出端子的高速輸出功能通過對(duì)PTO/PWM寄存器的不同設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。PTO/PWM寄存器由SM66SM85特殊存儲(chǔ)器組成，它們的作用是監(jiān)視和

14、控制脈沖輸出（PTO）和脈寬調(diào)制（PWM）功能。各寄存器的字節(jié)值和位值的意義如表。PTO/PWM寄存器各字節(jié)值和位值的意義Q0.0Q0.1說 明寄存器名SM66.4SM76.4PTO包絡(luò)由于增量計(jì)算錯(cuò)誤異常終止 0：無錯(cuò)1：異常終止脈沖串輸出狀態(tài)寄存器SM66.5SM76.5PTO包絡(luò)由于用戶命令異常終止 0：無錯(cuò)；1：異常終止SM66.6SM76.6PTO流水線溢出 0：無溢出；1：溢出SM66.7SM76.7PTO空閑 0：運(yùn)行中； 1：PTO空閑SM67.0SM77.0PTO/PWM刷新周期值 0 ：不刷新； 1 ：刷新PTO/PWM輸出控制寄存器SM67.1SM77.1PWM刷新脈沖寬

15、度值 0 ：不刷新； 1：刷新SM67.2SM77.2PTO刷新脈沖計(jì)數(shù)值 0 ：不刷新； 1：刷新SM67.3SM77.3PTO/PWM時(shí)基選擇 0 ：1 s； 1：1msSM67.4SM77.4PWM更新方法 0 ：異步更新； 1：同步更新SM67.5SM77.5PTO操作 0 ：單段操作； 1：多段操作SM67.6SM77.6PTO/PWM模式選擇 0 ：選擇PTO 1：選擇PWMSM67.7SM77.7PTO/PWM允許 0：禁止； 1 ：允許SMW68SMW78PTO/PWM周期時(shí)間值（范圍：2至 65 535）周期值設(shè)定寄存器SMW70SMW80PWM脈沖寬度值（范圍：0至65 5

16、35）脈寬值設(shè)定寄存器SMD72SMD82PTO脈沖計(jì)數(shù)值（范圍：1至4 294 967 295）脈沖計(jì)數(shù)值設(shè)定寄存器SMB166SMB176段號(hào)（僅用于多段PTO操作），多段流水線PTO運(yùn)行中的段的編號(hào)多段PTO操作寄存器SMW168SMW178包絡(luò)表起始位置，用距離V0的字節(jié)偏移量表示（僅用于多段PTO操作）高速脈沖輸出指令 1指令格式及功能PLSENQ0.X說明：1）高速脈沖串輸出PTO和脈寬調(diào)制輸出PWM都由PLS指令來激活；2）操作數(shù)X指定脈沖輸出端子，0為Q0.0輸出，1為Q0.1輸出；3）高速脈沖串輸出PTO可采用中斷方式進(jìn)行控制，而脈寬調(diào)制輸出PWM只能由指令PLS來激活。功能：當(dāng)使能端輸入有效時(shí)， PLC首先檢測為脈沖輸出位（X）設(shè)置的特殊存儲(chǔ)器位，然后激活由特殊存儲(chǔ)器位定義的脈沖操作PTO指令編程舉例圖 PTO脈沖串輸出主程序/I0.0上升沿，復(fù)位輸出/調(diào)用PTO設(shè)置子程序/I0.1上升沿，禁止所有中斷，停止脈沖串輸出 通過I0.0上升沿調(diào)用子程序0設(shè)置PTO操作，通過脈沖串輸出完成中斷程序0來改變脈沖周期，通過I0.1上升沿禁止中斷完成脈沖串輸出的停址。PTO輸出的結(jié)果如所示。對(duì)應(yīng)的梯形圖主程序、子程序0