項(xiàng)目5 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用2016.7

2024/4/22項(xiàng)目5步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用

任務(wù)5.1步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制任務(wù)5.2工作臺的位置控制教學(xué)內(nèi)容2024/4/22學(xué)習(xí)目標(biāo)1．了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理。2．掌握步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的端子功能。3．學(xué)會(huì)設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的工作電流（動(dòng)態(tài)電流）、細(xì)分精度和靜態(tài)電流。4．掌握PLC控制步進(jìn)電機(jī)的硬件接線圖。5．學(xué)會(huì)用西門子的高速脈沖輸出指令及位置向?qū)Ь帉懖竭M(jìn)電機(jī)的控制程序。

2024/4/222024/4/22任務(wù)5.1步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制任務(wù)導(dǎo)入

現(xiàn)有一臺三相步進(jìn)電機(jī)，步距角是1.5°，假設(shè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度為1

000Hz，旋轉(zhuǎn)一周需要5

000個(gè)脈沖，電機(jī)的額定電流是2.1A?？刂埔螅豪肞LC控制步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)2周，再逆時(shí)針轉(zhuǎn)3周，如此循環(huán)進(jìn)行，按下停止按鈕，電機(jī)馬上停止（電機(jī)的軸鎖住）。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的控制電機(jī)，每輸入一個(gè)電脈沖，電機(jī)就會(huì)旋轉(zhuǎn)一定的角度，常作為數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。最早的步進(jìn)電機(jī)是1920年代由英國人研發(fā)。德國百格拉公司于1973年發(fā)明了五相混合式步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器；1993年又推出了性能更加優(yōu)越的三相混合式步進(jìn)電機(jī)。我國在80年代以前，一直是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)占統(tǒng)治地位，混合式步進(jìn)電機(jī)是80年代后期才開始發(fā)展。相關(guān)知識一、步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)的外形步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(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，電機(jī)則就前進(jìn)一步，所以叫做步進(jìn)電機(jī)。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)應(yīng)用領(lǐng)域1.廣泛應(yīng)用于ATM機(jī)、噴繪機(jī)、刻字機(jī)、寫真機(jī)、噴涂設(shè)備、醫(yī)療儀器及設(shè)備、計(jì)算機(jī)外設(shè)及海量存儲設(shè)備、精密儀器、工業(yè)控制系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化、機(jī)器人等領(lǐng)域。

2.步進(jìn)電機(jī)主要用于一些有定位要求的場合。

線切割的工作臺拖動(dòng)，植毛機(jī)工作臺（毛孔定位），包裝機(jī)（定長度）。基本上涉及到定位的場合都用得到。特別適合要求運(yùn)行平穩(wěn)、低噪音、響應(yīng)快、使用壽命長、高輸出扭矩的應(yīng)用場合。

3.步進(jìn)電機(jī)在電腦繡花機(jī)等紡織機(jī)械設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用，這類步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是保持轉(zhuǎn)矩不高，頻繁啟動(dòng)反應(yīng)速度快、運(yùn)轉(zhuǎn)噪音低、運(yùn)行平穩(wěn)、控制性能好、整機(jī)成本低。

三相步進(jìn)電機(jī)的工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。（1）三相單三拍●三相繞組聯(lián)接方式：Y型●三相繞組中的通電順序?yàn)椋篈相

B相

C相“三相”指定子繞組有3組；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個(gè)通電循環(huán)。1．步進(jìn)電機(jī)的工作原理三相單三拍工作過程

當(dāng)A相定子繞組通電，其余兩相均不通電，電機(jī)內(nèi)建立以定子A相極為軸線的磁場。由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，使轉(zhuǎn)子齒1、3的軸線與定子A相極軸線對齊，如圖所示。若A相定子繞組斷電、B相定子繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下，順時(shí)針轉(zhuǎn)過30°，使轉(zhuǎn)子齒2、4的軸線與定子B相極軸線對齊，即轉(zhuǎn)子走了一步，如圖（b）所示。若在斷開B相，使C相定子繞組通電，轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向又轉(zhuǎn)過30°，使轉(zhuǎn)子齒1、3的軸線與定子C相極軸線對齊，如圖（c）所示。如此按A→B→C→A的順序輪流通電，轉(zhuǎn)子就會(huì)一步一步地按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點(diǎn)：●每來一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30

。此角稱為步距角，用

表示?！褶D(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。

反轉(zhuǎn)：

A相

C相

B相

A相

B相

C相正轉(zhuǎn)：（2）

三相雙三拍“雙”是指每次有兩相繞組通電，每通入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30°，即步距角為30°。正轉(zhuǎn)：AB→BC→CA→AB；反轉(zhuǎn)：AC→CB→BA→AC。雙拍運(yùn)行與單拍運(yùn)行時(shí)步距角相同，也是30°，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩一般會(huì)增加。（3）

三相單雙六拍即一相通電接著二相通電間隔地輪流進(jìn)行，完成一個(gè)循環(huán)需要經(jīng)過6次改變通電狀態(tài)，其步距角為15°。正轉(zhuǎn)：A→AB→B→BC→C→CA→A；反轉(zhuǎn)：A→AC→C→CB→B→BA→A。如何使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)？以上三種工作方式，三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向仍由相序決定。2.步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的外形如圖5-2（a）所示，步進(jìn)電機(jī)由轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體、轉(zhuǎn)軸、滾珠軸承），定子（繞組、定子鐵心），前后端蓋等組成，如圖5-2（c）所示。圖5-2步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖拆開的步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以三相步進(jìn)電機(jī)為例其定子和轉(zhuǎn)子上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極。定子轉(zhuǎn)子定子繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對的磁極組成一相。注意：這里的相和三相交流電中的“相”的概念不同。步進(jìn)電機(jī)通的是直流電脈沖，這主要是指線路的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。ABC定子轉(zhuǎn)子IAIBIC定子鐵心

定子鐵心為凸極結(jié)構(gòu)，由硅鋼片迭壓而成。在面向氣隙的定子鐵心表面有齒距相等的小齒。定子繞組

定子每極上套有一個(gè)集中繞組，相對兩極的繞組串聯(lián)構(gòu)成一相。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。為了減小步距角，實(shí)際的步進(jìn)電機(jī)通常在定子凸極和轉(zhuǎn)子上開很多小齒，這樣就可以大大減小步距角，提高步進(jìn)電機(jī)的控制精度。轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子上只有齒槽沒有繞組，系統(tǒng)工作要求不同，轉(zhuǎn)子齒數(shù)也不同。轉(zhuǎn)子的外圈由50個(gè)小齒構(gòu)成，轉(zhuǎn)子1和轉(zhuǎn)子2的小齒于構(gòu)造上互相錯(cuò)開1/2螺距。由此轉(zhuǎn)子形成了100個(gè)小齒。目前已經(jīng)有轉(zhuǎn)子單個(gè)加工至100齒的高分辨率型，那么高分辨率型的轉(zhuǎn)子就有200個(gè)小齒。因此其機(jī)械上就可以實(shí)現(xiàn)普通步進(jìn)電機(jī)半步(普通步進(jìn)電機(jī)半步需要電氣細(xì)分達(dá)到)的分辨率。通常按勵(lì)磁方式分為三大類：1）反應(yīng)式（VR）

轉(zhuǎn)子為軟磁材料，無繞組，定、轉(zhuǎn)子開小齒、步距角小。2）永磁式（PM）

轉(zhuǎn)子為永磁材料，轉(zhuǎn)子的極數(shù)=每相定子極數(shù)，不開小齒，步距角較大，力矩較大3）感應(yīng)子式(混合式，HB)

轉(zhuǎn)子為永磁式、兩段，開小齒，轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好、步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。3．步進(jìn)電機(jī)的分類2024/4/22

永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大，在歐美等發(fā)達(dá)國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，分為兩相和五相，兩相步進(jìn)角一般為1.8度，而五相步進(jìn)角一般為0.72度，這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。按相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。以機(jī)座號（電機(jī)外徑）可分為：42BYG（BYG為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號）、57BYG、86BYG、110BYG（國際標(biāo)準(zhǔn)），而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的機(jī)座號：主要有35、39、42、57、86、110等。二相混合式步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品步距角：

3.6°1.8°1.5°284256、5786110扭矩Nm外徑mm1100.130130五相混合式步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品步距角：

0.72°0.18°901102~8Nm8~20Nm25~35Nm130

步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一定的角度，該角度稱為步距角。Z：轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K：為通電系數(shù)，當(dāng)前后通電相數(shù)一致時(shí)，K=1，否則，K=2；m：為相數(shù)。（1）

步距角4．步進(jìn)電機(jī)的重要參數(shù)

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)。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、四相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為3°/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。步進(jìn)電機(jī)的步距角一般為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°等。步距角越小，則步進(jìn)電機(jī)的控制精度越高，根據(jù)步距角可以控制步進(jìn)電機(jī)行走的精確距離。比如說，步距角為0.72°的步進(jìn)電機(jī)，每旋轉(zhuǎn)一周需要的脈沖數(shù)為360/0.72=500脈沖，也就是對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出500個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)才旋轉(zhuǎn)一周。

（2）

步進(jìn)電機(jī)的速度步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于各相定子繞組通入電脈沖的頻率，其速度為式中，f——電脈沖的頻率，即每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS）；

Z——轉(zhuǎn)子齒數(shù)；

K——通電系數(shù)。

（3）

相數(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，常用m表示。目前常用的有二相、三相、四相、五相、六相、八相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同。

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。

（4）

拍數(shù)

完成一個(gè)磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)。θ

=

360°/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)×運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相為例，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50齒電動(dòng)機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ

=

360°/（50×4）=1.8°（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ

=

360°/（50×8）=0.9°（俗稱半步）。以四相電機(jī)為例，有四相雙四拍運(yùn)行方式即AB→BC→CD→DA→AB，四相單雙八拍運(yùn)行方式即A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。步距角對應(yīng)一個(gè)脈沖信號，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。

（5）

保持轉(zhuǎn)矩保持轉(zhuǎn)矩是指步進(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)。5.

步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步距角的3-5%，且不累積；步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降（U=E+L(di/dt)+I*R）

矩頻特性曲線空載啟動(dòng)頻率：即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的起步速度一般在10~100RPM，伺服電機(jī)的起步速度一般在100~300RPM。根據(jù)電機(jī)大小和負(fù)載情況而定，大電機(jī)一般對應(yīng)較低的起步速度。步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)和噪聲大是其固有的缺點(diǎn)。

克服兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)和噪聲方法：通過改變減速比等機(jī)械傳動(dòng)避開共振區(qū)；采用帶有細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器；換成步距角更小的步進(jìn)電機(jī)；選用電感較大的電機(jī)二、步進(jìn)控制系統(tǒng)的組成圖5-3步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的功能就是在控制設(shè)備（PLC或單片機(jī)）的控制下，為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供工作所需要的幅度足夠的脈沖信號。三、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部組成及原理（1）步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器：是一種能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的功率放大器，能把控制器發(fā)來的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，所以控制脈沖頻率可以精確調(diào)速，控制脈沖數(shù)就可以精確定位。步進(jìn)電機(jī)必須有驅(qū)動(dòng)器和控制器才能正常工作。驅(qū)動(dòng)器的作用是對控制脈沖進(jìn)行環(huán)形分配、功率放大，使步進(jìn)電機(jī)繞組按一定順序通電，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部主要由環(huán)形分配器和功率放大器組成。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的三種輸入信號環(huán)形分配器：將輸入的脈沖信號分成多路脈沖，再送到功率放大器。功率放大器：將脈沖信號進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。方向信號：控制環(huán)形分配器分配脈沖的順序，從而控制步進(jìn)電機(jī)的方向。使能信號：允許或禁止步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器工作。1．步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的外部端子兩相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器三相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器圖5-5步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器外部接線端步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的三種輸入信號：脈沖信號、方向信號、使能信號6個(gè)輸入信號需要接5V電源，如果接12V或24V直流電源，需要串聯(lián)電阻表5-1 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器外部接線端功能說明接

線

端功能說明PUL+（+5V）脈沖控制信號輸入端：脈沖上升沿有效；PUL-高電平時(shí)4～5V，低電平時(shí)0～0.5V。為了可靠響應(yīng)脈沖信號，脈沖寬度應(yīng)大于1.2μs。如采用+12V或+24V時(shí)需串電阻。PUL－DIR+（+5V）方向信號輸入端：高/低電平信號，為保證電機(jī)可靠換向，方向信號應(yīng)先于脈沖信號至少

5μs建立。電機(jī)的初始運(yùn)行方向與電機(jī)的接線有關(guān)，互換三相繞組U、V、W的任何兩根線可以改變電機(jī)初始運(yùn)行的方向，DIR-高電平時(shí)4～5V，低電平時(shí)0～0.5V。DIR－ENA+（+5V）使能信號輸入端：此輸入信號用于使能或禁止。ENA+接+5V，ENA-接低電平（或內(nèi)部光耦導(dǎo)通）時(shí)，驅(qū)動(dòng)器將切斷電機(jī)各相的電流使電機(jī)處于自由狀態(tài)，此時(shí)步進(jìn)脈沖不被響應(yīng)。當(dāng)不需用此功能時(shí)，使能信號端懸空即可。ENA－U、V、W三相步進(jìn)電機(jī)的接線端+V驅(qū)動(dòng)器直流電源輸入端正極，+18V～+50V間任何值均可，但推薦值+36VDC左右。GND驅(qū)動(dòng)器直流電源輸入端負(fù)極●光電隔離元件作用：電氣隔離、抗干擾●共陽極接法、共陰極接法和差分方式接法●根據(jù)所選PLC來選擇驅(qū)動(dòng)器●西門子PLC輸出信號為PNP輸出（高電平信號），應(yīng)采用共陰接法●三菱PLC輸出信號為NPN輸出（低電平信號），應(yīng)采用共陽接法。2．步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的外部典型接線注意：一般PLC不能直接與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器相連，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器的控制信號是+5V，而PLC的輸出信號為+24V。解決方法:如果VCC是5V，則不串電阻，如果VCC是12V時(shí)，串聯(lián)R為1kΩ，大于1/8W電阻；如果VCC是24V時(shí)，R為2kΩ，大于1/8W電阻；R必須接在控制器信號端。所謂細(xì)分，就是通過設(shè)置驅(qū)動(dòng)器來減小步距角。若步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，旋轉(zhuǎn)一周需要360/1.8=200步，若將細(xì)分設(shè)為10，則步距角被調(diào)整為0.18°，旋轉(zhuǎn)一周需要2000步。

如86BYG250A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)，參見下表（還以86BYG250A電機(jī)為例）：

電機(jī)固有步距角所用驅(qū)動(dòng)器類型及工作狀態(tài)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的真正步距角0.9°/1.8°驅(qū)動(dòng)器工作在半步狀態(tài)0.9°0.9°/1.8°細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在5細(xì)分狀態(tài)0.36°0.9°/1.8°細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在10細(xì)分狀態(tài)0.18°0.9°/1.8°細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在20細(xì)分狀態(tài)0.09°0.9°/1.8°細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在40細(xì)分狀態(tài)0.045°3．步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分設(shè)置步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分的優(yōu)點(diǎn)：

（1）完全消除了電機(jī)的低頻振蕩，使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)均勻。

低頻振蕩是步進(jìn)電機(jī)（尤其是反應(yīng)式電機(jī)）的固有特性，而細(xì)分是消除它的唯一途徑，如果步進(jìn)電機(jī)有時(shí)要在共振區(qū)工作（如走圓?。?，選擇細(xì)分驅(qū)動(dòng)器是唯一的選擇。（2）提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩尤其是對三相反應(yīng)式電機(jī)，其力矩比不細(xì)分時(shí)提高約30-40%。（3）減小步進(jìn)電機(jī)的步距角，提高電機(jī)的分辨率由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，‘提高電機(jī)的分辨率’是不言而喻的。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。3ND583步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置：3ND583步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器側(cè)面端子中間有8個(gè)白色的DIP功能設(shè)定開關(guān)，可以用來設(shè)定驅(qū)動(dòng)器的工作方式和工作參數(shù)。開關(guān)序號ON功能OFF功能SW1—SW4動(dòng)態(tài)電流設(shè)定SW5靜態(tài)電流全流靜態(tài)電流半流SW6—SW8細(xì)分設(shè)置用撥碼開關(guān)工作電流設(shè)置表輸出峰值電流（A）輸出有效值電流（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）動(dòng)態(tài)電流設(shè)定。用SW1～SW4的4位撥碼開關(guān)設(shè)置工作電流，一共可設(shè)置16個(gè)電流級別，如表所示?！?”表示ON，“0”表示OFF。為了能驅(qū)動(dòng)多種功率的步進(jìn)電機(jī)，大多數(shù)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器具有工作電流設(shè)置功能。通常驅(qū)動(dòng)器的最大電流要略大于電機(jī)標(biāo)稱電流。對于同一電動(dòng)機(jī)，電流設(shè)定值越大，電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩也越大，同時(shí)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的發(fā)熱也較嚴(yán)重。因此，一般情況下應(yīng)把電流設(shè)定成電動(dòng)機(jī)長時(shí)間工作出現(xiàn)溫?zé)岬贿^熱的數(shù)值。細(xì)分設(shè)置表（2）細(xì)分設(shè)定。細(xì)分精度由SW6～SW8三位撥碼開關(guān)設(shè)定，參見下表?！?”表示ON，“0”表示OFF。細(xì)分不能設(shè)置過大，在輸入脈沖不變的情況下，細(xì)分設(shè)置越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢，而且電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也會(huì)變小。步/轉(zhuǎn)SW6SW7SW8200111400011500101100000120001104000010500010010000000步進(jìn)電機(jī)和所有電機(jī)一樣，在不通電時(shí)，是可以用手轉(zhuǎn)動(dòng)的，不能自鎖。步進(jìn)電機(jī)一般是用于定位控制場合，對定位是有要求的，所以在實(shí)時(shí)控制停機(jī)時(shí)要求“帶電自鎖”。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器在停止時(shí)提供給步進(jìn)電機(jī)的單相鎖定電流稱為靜態(tài)電流。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的靜態(tài)電流由其面板上的撥碼開關(guān)SW5設(shè)置，撥碼開關(guān)設(shè)置為ON時(shí)，靜態(tài)電流與工作電流相同，即靜態(tài)電流為全流；撥碼開關(guān)設(shè)置為OFF時(shí)，靜態(tài)電流為待機(jī)自動(dòng)半電流，即靜態(tài)電流為半流。一般情況下，如果步進(jìn)電機(jī)負(fù)載為提升類負(fù)載，靜態(tài)電流應(yīng)設(shè)為全流；對于平移動(dòng)類負(fù)載，靜態(tài)電流可設(shè)為半流。

c．靜態(tài)電流設(shè)置四、西門子PLC的高速脈沖輸出PTO

西門子S7-200PLC提供兩個(gè)高速脈沖輸出點(diǎn)（Q0.0和Q0.1），用來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)速度和位置的開環(huán)控制。高速脈沖輸出有脈沖串輸出PTO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功能是指按照給定的脈沖個(gè)數(shù)和周期從Q0.0或Q0.1輸出一串脈沖序列（占空比為50%的方波脈沖）。（1）脈沖數(shù)：輸出脈沖的個(gè)數(shù)在1-4294967295范圍內(nèi)可調(diào)；（2）周期值：周期值為16位無符號數(shù)據(jù)，輸出脈沖的周期以μs或ms為增量單位，周期范圍為10～65

535

s或2～65

535ms。（3）周期設(shè)置時(shí)，設(shè)置值應(yīng)為偶數(shù)，若設(shè)為奇數(shù)會(huì)引起輸出波形占空比的輕微失真。周期設(shè)置值應(yīng)大于2，若設(shè)置值小于2，系統(tǒng)將默認(rèn)為2。

單段管線PTO：定義一個(gè)脈沖串，輸出一個(gè)脈沖串（特性參數(shù)通過特殊寄存器分別定義）。單段管線支持脈沖串排隊(duì)。

多段管線PTO：集中定義多個(gè)脈沖串，按順序輸出多個(gè)脈沖串（特性參數(shù)通過包絡(luò)表集中定義）。脈沖串輸出（PTO）

在PTO發(fā)生下，要輸出多段脈沖串時(shí)，允許多個(gè)脈沖串排隊(duì)輸出。PTO輸出多段脈沖的方式有兩種形式：單段管線PTO和多段管線PTO。多段管線的包絡(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)（1～255）；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65535個(gè)時(shí)基單位）VBn+3每個(gè)脈沖的周期增量Δ（符號整數(shù)：-32768至32767個(gè)時(shí)基單位）VBn+5脈沖數(shù)（1至4294967295）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Δ（符號整數(shù)：-32768至32767個(gè)時(shí)基單位）VBn+13脈沖數(shù)（1至4294967295）VBn+17段3初始周期（2至65535個(gè)時(shí)基單位）VBn+19每個(gè)脈沖的周期增量值Δ（符號整數(shù)：-32768至32767個(gè)時(shí)基單位）VBn+21脈沖數(shù)（1至4294967295）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。1．脈沖輸出指令PLSPLS指令用于S7-200CPU集成點(diǎn)Q0.0和Q0.1的高速脈沖輸出，其指令格式及功能如表5-4所示。2024/4/22在PTO方式下，當(dāng)輸出完制定數(shù)量的脈沖后，產(chǎn)生高速脈沖段輸出中斷。在PTO/PWM0的中斷事件號是19；2.在PTO/PWM1的中斷事件號是20。3.注意：高速脈沖輸出時(shí)，COU自動(dòng)將PTO的空閑位SM66.7（或SM76.7）置1（空閑）。高速脈沖輸出適用機(jī)型：輸出高速脈沖信號時(shí)，應(yīng)選用晶體管輸出型PLC。2024/4/222．使用SM來配置和控制PTO操作每個(gè)PTO/PWM發(fā)生器都有一組配套參數(shù)：（1）一個(gè)狀態(tài)字節(jié)（SMB66（8位）或SMB76（8位））；（2）一個(gè)控制字節(jié)（SMB67（8位）或SMB77（8位））；（3）一個(gè)周期值（SMW68或SMW78，不帶符號的16位值）；（4）一個(gè)脈寬值（SMW70或SMW80，不帶符號的16位值）；（5）一個(gè)脈沖數(shù)（SMD72或SMD82，不帶符號的32位值）；對于多段的PTO，還有（1）一個(gè)段字節(jié)（8位）；（2）一個(gè)包絡(luò)表起始地址（16位）。為定義和監(jiān)控高速脈沖輸出，這些值全部存儲在指定的特殊寄存器（SM）中。如果要裝入新的脈沖數(shù)、脈沖寬度和周期，選擇所需的操作后，應(yīng)該在執(zhí)行PLS指令前裝入這些值和控制寄存器，然后PLS指令會(huì)從特殊存儲器SM中讀取數(shù)據(jù)，并按照存儲值控制PTO/PWM發(fā)生器。2024/4/222024/4/22PTO/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)寄存器每一個(gè)高速脈沖輸出都有一個(gè)狀態(tài)字節(jié)，監(jiān)控程序運(yùn)行時(shí)某些操作的相應(yīng)狀態(tài)并根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)使相應(yīng)位置位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輸出控制寄存器通過對控制字節(jié)的設(shè)置，可以控制高速脈沖輸出的性質(zhì)，如：時(shí)間基準(zhǔn)、具體周期、輸出模式（PTO/PWM）、更新方式等，是編程時(shí)初始化操作中必須完成的內(nèi)容SM67.1SM77.1PWM刷新脈沖寬度值 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 0：1μs；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PTO1：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65535）周期值設(shè)定寄存器SMW70SMW80PWM脈沖寬度值（范圍：0至65535）脈寬值設(shè)定寄存器SMD72SMD82PTO脈沖計(jì)數(shù)值（范圍：1至4294967295）脈沖計(jì)數(shù)值設(shè)定寄存器SMB166SMB176段號（僅用于多段PTO操作），多段流水線PTO運(yùn)行中的段的編號多段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）2024/4/22控制字節(jié)中各控制位的功能

通過對控制字節(jié)的設(shè)置，可以控制高速脈沖輸出的性質(zhì)，如：時(shí)間基準(zhǔn)、具體周期、輸出模式（PTO/PWM）、更新方式等，是編程時(shí)初始化操作中必須完成的內(nèi)容。PTO/PWM輸出控制寄存器（SMB67或SMB77）2024/4/22表5-6PTO控制字節(jié)參考控制寄存器

（十六進(jìn)制）允許執(zhí)行PLS指令的結(jié)果模式選擇PTO段操作時(shí)基脈沖數(shù)周期16#81是PTO單段1

s/周期裝載16#84是PTO單段1

s/周期裝載16#85是PTO單段1

s/周期裝載裝載16#89是PTO單段1ms/周期裝載16#8C是PTO單段1ms/周期裝載16#8D是PTO單段1ms/周期裝載裝載16#A0是PTO多段1

s/周期16#A8是PTO多段1ms/周期教材此處“接觸器”應(yīng)修改為：“寄存器”3．PTO編程對單段管線，請遵循如下步驟。（1）將PTO的輸出Q0.0或Q0.1復(fù)位為0，并調(diào)用初始化操作的子程序。由于采用了這樣的子程序調(diào)用，后續(xù)掃描不會(huì)再調(diào)用這個(gè)子程序，從而減少了掃描時(shí)間，也提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的程序。（2）初始化子程序中，設(shè)置PTO控制字節(jié)，即把表5-6中的控制字節(jié)（例如16#85）送入SMB67，目的是允許PTO功能，選擇PTO操作，選擇微秒或毫秒為時(shí)間基準(zhǔn)，選擇更新脈沖數(shù)和周期值。（3）向SMW68或SMW78寫入所希望的周期值。（4）向SMD72或SMD82寫入所希望的脈沖數(shù)。（5）建立中斷連接（可選步驟）。如果你想在一個(gè)脈沖串輸出（PTO）完成時(shí)立刻執(zhí)行一個(gè)相關(guān)功能，則可以編程，用ATCH指令使脈沖串輸出完成中斷事件（事件號19或20）調(diào)用一個(gè)中斷子程序，并執(zhí)行全局中斷運(yùn)行指令ENI。（6）有啟動(dòng)信號時(shí)，執(zhí)行PLS指令，輸出單段脈沖。（7）退出子程序。如果要修改PTO的周期、脈沖數(shù)，可以在子程序或中斷程序中執(zhí)行。（1）根據(jù)要修改的內(nèi)容，寫入相應(yīng)的控制字節(jié)值。（2）寫入新的周期、脈沖數(shù)。（3）執(zhí)行PLS指令，使S7-200CPU確認(rèn)設(shè)置。對于多段PTO操作，可在主程序中調(diào)用初始化子程序。在子程序中：（1）寫入包絡(luò)表起始地址到相應(yīng)特殊寄存器（包絡(luò)表的具體內(nèi)容可另行計(jì)算、編寫）；（2）連接中斷事件和程序，允許中斷（可選）；（3）執(zhí)行PLS指令，使S7-200CPU確認(rèn)設(shè)置。如果要在脈沖輸出執(zhí)行過程中，停止脈沖輸出：（1）設(shè)置控制字節(jié)，將PTO使能位置為0；（2）執(zhí)行PLS指令，使S7-200CPU確認(rèn)設(shè)置。例5-1

現(xiàn)有一臺三相步進(jìn)電機(jī)，步距角是1.5°，假設(shè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度為1

000Hz，旋轉(zhuǎn)一周需要5

000個(gè)脈沖。它拖動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，如圖5-9（a）所示，其旋轉(zhuǎn)一周行走0.5cm。當(dāng)閉合控制開關(guān)SA時(shí)，機(jī)械手從原點(diǎn)位置沿X軸右行10cm至SQ1停止；當(dāng)斷開控制開關(guān)SA時(shí)，步進(jìn)電機(jī)回到原點(diǎn)位置，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行軌跡如圖5-9（b）所示。圖5-9電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行軌跡（1）硬件電路圖表5-7系統(tǒng)的I/O分配輸

入輸

出輸入繼電器輸入元件作

用輸出繼電器輸出元件作

用I0.0SA手動(dòng)控制開關(guān)Q0.0PUL+脈沖信號I0.1SQ0原點(diǎn)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+脫機(jī)控制Q0.3=0，步進(jìn)電機(jī)軸抱死Q0.3=1，步進(jìn)電機(jī)軸松開圖5-10系統(tǒng)接線圖步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的控制信號是5V，而西門子晶體管輸出型PLC的輸出信號是24V，因此在PLC與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器之間串聯(lián)一只2kΩ的電阻，起分壓作用。西門子PLC的輸出是PNP方式，因此采用共陰極接法。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需要5

000個(gè)脈沖。因此按照表5-3，將步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器3ND583的細(xì)分選擇開關(guān)SW6、SW7、SW8分別置為“1”、“0”、“0”。（2）程序設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)1首先對Q0.0進(jìn)行復(fù)位操作，然后設(shè)置控制字節(jié)SMB67=16#8D，同時(shí)將脈沖周期1ms送入SMW68中，將脈沖數(shù)0送入SMD72中。將100

000送入SMD72中，同時(shí)啟動(dòng)脈沖輸出指令PLS，使Q0.0輸出周期為1ms，脈沖數(shù)為100

000個(gè)的脈沖，從而控制機(jī)械手右行10cm當(dāng)機(jī)械手右行至SQ1（I0.2）或左行至SQ0（I0.1）的位置時(shí)，使能位SM67.7清零，然后執(zhí)行PLS指令，便可立即停止PTO輸出，控制步進(jìn)電機(jī)停止。將16#8C送入SMB67中，同時(shí)將脈沖數(shù)100

000送入SMD72中，Q0.2=1，控制機(jī)械手左行10cm2024/4/22任務(wù)實(shí)施【訓(xùn)練工具、材料和設(shè)備】通用電工工具安裝有STEP7-Micro/WIN軟件的電腦1臺西門子晶體管輸出型PLC3ND583步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器1臺三相步進(jìn)電機(jī)按鈕2kΩ電阻3個(gè)1．硬件電路（1）I/O接線圖輸

入輸

出輸入繼電器輸入元件作

用輸出繼電器輸出元件作

用I0.0SB1啟動(dòng)按鈕Q0.0PUL+脈沖信號I0.1SB2停止按鈕Q0.2DIR+方向控制Q0.2=0，正轉(zhuǎn)Q0.2=1，反轉(zhuǎn)Q0.3ENA+脫機(jī)控制Q0.3=0，步進(jìn)電機(jī)軸抱死Q0.3=1，步進(jìn)電機(jī)軸松開表5-8 步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的I/O分配圖5-12步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路圖（2）設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分和電流。圖5-13撥碼開關(guān)位置圖設(shè)置5

000步/轉(zhuǎn)，需將控制細(xì)分的撥碼開關(guān)SW6～SW8設(shè)置為ON、OFF、OFF半流設(shè)置工作電流為2.1A時(shí)，需將控制工作電流的撥碼開關(guān)SW1～SW4設(shè)置為OFF、ON、OFF、OFF（3）三相電機(jī)的接線。圖5-14三相電機(jī)的接線2．程序設(shè)計(jì)3．操作運(yùn)行（1）首先完成圖5-12中PLC和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的接線，然后按照圖5-13設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的工作電流、細(xì)分設(shè)置等。（2）給PLC和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器上電，將圖5-15所示的程序下載到PLC中。（3）按下啟動(dòng)按鈕，觀察步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行情況，是否達(dá)到正轉(zhuǎn)2周，再反轉(zhuǎn)3周，反復(fù)運(yùn)行；按下停止按鈕，步進(jìn)電機(jī)停止。（4）如果步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)不滿足控制要求，檢查步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分設(shè)置是否正確，檢測SMD72中的數(shù)值是否為10

000或15

000；如果步進(jìn)電機(jī)不運(yùn)行，首先檢查程序是否輸入有誤，然后檢查控制系統(tǒng)的接線是否正確。知識拓展

在西門子S7-200PLC中，PTO的脈沖周期存儲于特殊寄存器SMW68或SMW78中，因此要改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，必須改變SMW68或SMW78中的脈沖周期。但在PTO脈沖串執(zhí)行過程中，不能通過PLS指令改變當(dāng)前運(yùn)行時(shí)的周期值，必須PTO停止后才能更改。因此，為了使步進(jìn)電機(jī)的速度立即改變，在改變SMW68或SMW78中的脈沖周期之前，必須先將步進(jìn)電機(jī)停止，這是至關(guān)重要的。例5-2

某步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)有兩個(gè)運(yùn)行速度，閉合速度開關(guān)1，選擇周期值為500ms的速度運(yùn)行，閉合速度開關(guān)2，選擇周期值為200ms的速度運(yùn)行，控制系統(tǒng)的I/O分配如表5-9所示。試編寫步進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制程序。表5-9 步進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制的I/O分配輸

入輸

出輸入繼電器輸入元件作

用輸出繼電器輸出元件作

用I0.0SB1啟動(dòng)按鈕Q0.0PUL+脈沖信號I0.1SB2停止按鈕Q0.2DIR+方向控制Q0.2=0，正轉(zhuǎn)Q0.2=1，反轉(zhuǎn)I0.2SA1速度選擇1Q0.3ENA+脫機(jī)控制Q0.3=0，步進(jìn)電機(jī)軸抱死Q0.3=1，步進(jìn)電機(jī)軸松開I0.3SA2速度選擇2I0.4SA3方向選擇2024/4/22任務(wù)5.2工作臺的位置控制任務(wù)導(dǎo)入

步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)工作臺的位置控制示意圖如圖5-17所示，當(dāng)工作臺位于原點(diǎn)位置時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，工作臺以20

000脈沖/s的速度向右運(yùn)行，運(yùn)行到右限位時(shí)（需要500

000個(gè)脈沖），工作臺停止。如果工作臺不在原點(diǎn)位置，閉合尋零模式開關(guān)，工作臺將以8

000脈沖/s的速度向原點(diǎn)位置移動(dòng)，碰到原點(diǎn)開關(guān)后，改變步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，并將尋原點(diǎn)速度降為500脈沖/s，反方向回來再碰到原點(diǎn)開關(guān)的下降沿后立即停止。相關(guān)知識一、

S7-200PLC運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)方式S7-200PLC可使用以下方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制功能。（1）S7-200CPU本體的高速脈沖輸出。①使用PLS指令編程。②使用PTO位控向?qū)?。③使用MAP庫。（2）EM253位置控制模塊。S7-200CPU除CPU224XPSi以外，都只能接PNP輸入信號的步進(jìn)或伺服驅(qū)動(dòng)器。CPU224XPSi可以接NPN輸入信號的步進(jìn)或伺服驅(qū)動(dòng)器。EM253可以接NPN或者差分輸入信號的步進(jìn)或伺服驅(qū)動(dòng)器。S7-200PLC能控制哪些類型的步進(jìn)或伺服驅(qū)動(dòng)器？二、

PTO位置控制向?qū)TO向?qū)Ь哂幸韵轮饕δ?。?）手動(dòng)運(yùn)行。（2）包絡(luò)運(yùn)動(dòng)。S7-200CPU最多允許25個(gè)包絡(luò)，一個(gè)包絡(luò)表可以包含1～29個(gè)步。包絡(luò)運(yùn)動(dòng)可選以下兩種操作模式。①單速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。②相對位置。（3）停止當(dāng)前的連續(xù)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，并增加向?qū)Оj(luò)定義中指定的脈沖數(shù)。（4）改變當(dāng)前位置為指定的新位置。三、

位置控制向?qū)У幕拘畔?．最大速度（MAX_SPEED）和啟動(dòng)/停止速度（SS_SPEED）圖5-18步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖允許的步進(jìn)電機(jī)操作速度的最大值。計(jì)算公式為最高電機(jī)速度（脈沖/s）

=

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速（r/s）×

電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)（脈沖/r）啟動(dòng)/停止速度的值是最大速度的5%～15%加速時(shí)間減速時(shí)間2．加速時(shí)間和減速時(shí)間3．移動(dòng)包絡(luò)

移動(dòng)包絡(luò)是一個(gè)預(yù)定義的移動(dòng)描述，它包括一個(gè)或多個(gè)速度，影響著從起點(diǎn)到終點(diǎn)的移動(dòng)。例已知步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率為2kHz（A）點(diǎn)，經(jīng)過400個(gè)脈沖加速后頻率上升到10kHz（B點(diǎn)和C點(diǎn)），恒速轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖數(shù)為4000個(gè)，減速過程脈沖數(shù)為200個(gè)，頻率下降為2kHz（D點(diǎn)），其頻率特性如圖所示。（1）選擇包絡(luò)的操作模式PTO支持相對位置和單一速度的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖5-19一個(gè)包絡(luò)的操作模式相對位置模式指的是運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)位置是起點(diǎn)側(cè)開始計(jì)算的脈沖數(shù)量單速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)則不需要提供終點(diǎn)位置，PTO一直持續(xù)輸出脈沖，直至有其他命令發(fā)出，如到達(dá)原點(diǎn)要求停發(fā)脈沖（2）包絡(luò)中的步

一個(gè)步是工件運(yùn)動(dòng)的一個(gè)固定距離，包括加速和減速時(shí)間內(nèi)的距離。PTO每一包絡(luò)最大允許29個(gè)步。圖5-20移動(dòng)包絡(luò)示意圖每一步指定目標(biāo)速度和結(jié)束位置或脈沖數(shù)目，且每次輸入一步勻速段步的數(shù)目與包絡(luò)中勻速段的數(shù)目一致。四、

位控向?qū)Мa(chǎn)生的子程序介紹停止控制子程序運(yùn)行子程序手動(dòng)運(yùn)行控制子程序裝載位置子程序1．PTOx_CTRL子程序（控制）立即停止減速停止一直使用SM0.0作為EN的輸入完成信號，ON表示完成錯(cuò)誤代碼當(dāng)前位置在程序中僅能使用該子程序一次，并保證每個(gè)掃描周期該子程序都被執(zhí)行。2．PTOx_RUN子程序（運(yùn)行包絡(luò)）啟動(dòng)允許啟動(dòng)信號，上升沿包絡(luò)編號終止命令，為ON時(shí)，將終止當(dāng)前包絡(luò)完成信號，ON表示完成錯(cuò)誤代碼輸出正執(zhí)行的包絡(luò)輸出正執(zhí)行的包絡(luò)步當(dāng)前位置，與高速計(jì)數(shù)器有關(guān)3．PTOx_MAN子程序（手動(dòng)模式）手動(dòng)啟動(dòng)/停止設(shè)定運(yùn)行速度錯(cuò)誤代碼當(dāng)前位置，與高速計(jì)數(shù)器有關(guān)4．PTOx_LDPOS子程序（裝載位置）

改變PTO脈沖計(jì)數(shù)器的當(dāng)前位置值為一個(gè)新值。可以使用該指令為任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)命令建立一個(gè)新的零位置，其格式如圖。接通EN位使能該指令接通START參數(shù)，以裝載一個(gè)新的位置值到PTO脈沖計(jì)數(shù)器提供一個(gè)新的值替代報(bào)告的當(dāng)前位置值完成信號，ON表示完成錯(cuò)誤代碼當(dāng)前位置2024/4/22任務(wù)實(shí)施【訓(xùn)練工具、材料和設(shè)備】通用電工工具安裝有STEP7-Micro/WIN軟件的電腦1臺西門子晶體管輸出型PLC3ND583步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器1臺三相步進(jìn)電機(jī)按鈕2kΩ電阻3個(gè)一、

硬件電路表5-10 工作臺位置控制的I/O分配輸

入輸

出輸入繼電器輸入元件作

用輸出繼電器輸出元件作

用I0.0SB1啟動(dòng)按鈕Q0.0PUL+脈沖信號I0.1SB2停止按鈕Q0.2DIR+方向控制Q0.2=0，右行Q0.2=1，左行I0.3SA尋零模式Q0.3ENA+脫機(jī)控制Q0.3=0，步進(jìn)電機(jī)軸抱死Q0.3=1，步進(jìn)電機(jī)軸松開I0.4SQ原點(diǎn)開關(guān)其他元件元件名稱作用V200.0找到原點(diǎn)標(biāo)志V240.0尋零功能塊完成VD222尋零速度給定圖5-23工作臺位置控制電路圖二、

程序設(shè)計(jì)1．PTO向?qū)渲茫?）用戶可在STEP7Micro/Win編程軟件中的【工具】菜單下選擇【位置控制向?qū)А棵?，因?yàn)橐褂肞LC本體的快速輸出Q0.0控制步進(jìn)電機(jī)，所以在【位置控制向?qū)А拷缑孢x擇【配置S7-200PLC內(nèi)置PTO/PWM操作】。圖5-24位控向?qū)?dòng)界面2024/4/22（2）在圖5-24中單擊“下一步”按鈕，選擇脈沖快速輸出為Q0.0，如圖5-25所示。圖5-25選擇配置的快速脈沖2024/4/22（3）單擊圖5-25中的“下一步”按鈕，設(shè)置Q0.0脈沖輸出方式是PTO模式，即輸出的方波脈沖的占空比為50%，這是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能接收的脈沖方式。為了能夠監(jiān)控發(fā)出的脈沖，將HSCO勾選，如圖5-26所示。圖5-26脈沖輸出方式選擇2024/4/22（4）設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的最大速度和啟動(dòng)/停止速度。圖5-27設(shè)置電機(jī)速度參數(shù)2024/4/22（5）設(shè)置加速時(shí)間和減速時(shí)間分別為2

000ms和1

500ms，西門子推薦不要將加減速時(shí)間設(shè)置小于0.5s。圖5-28加減速時(shí)間設(shè)置2024/4/22（6）單擊圖5-28中的“下一步”按鈕，進(jìn)入配置運(yùn)動(dòng)包絡(luò)的界面，如圖5-29所示。單擊【新包絡(luò)】按鈕添加一個(gè)新的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，操作如圖5-29所示。圖5-29添加新包絡(luò)2024/4/22（7）設(shè)置運(yùn)動(dòng)包絡(luò)的操作模式、目標(biāo)速度、結(jié)束位置等。圖5-30設(shè)置第0個(gè)包絡(luò)202