1、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。制元件。 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只在非超载的情况下，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，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。即给电机加
2、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，脉冲的频率越高电机的转速越快， 但不能超过最高频率否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。则电机的力矩会迅速减小，电机不转。 步进电机的种类 分分 类类 方方 式式 具具 体体 类类 型型 按力矩产生的按力矩产生的原理 （ 1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应）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）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁
3、钢），由电磁力矩实现步进运行钢），由电磁力矩实现步进运行 按输出力矩大按输出力矩大小小 （ 1）伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（）伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（ Nm）只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动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机床工作台等较大的负载 （ 2）功率式：输出力矩在）功率式：输出力矩在 5-50 Nm以上，可以直接驱动机以上，可以直接驱动机床工作台等较大的负载床工作台等较大的负载 按定子数按定子数 （ 1）单定子式（）单定子式（ 2）双定子式（）双定子式（ 3）三定子式（）三定子式（ 4）多定子
4、式）多定子式 按各相绕组分按各相绕组分布布 （ 1）径向分布式：电机各相按圆周依次排列）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）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列 步进电机的结构 目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。 在反应式步进电机中，有轴向分相和径向分相两种在反应式步进电机中，有轴向分相和径向分相两种 轴向分相：各相绕组按轴向依次排列。轴向分相：各相绕组按轴向依次排列。 径向分相：各相绕组按圆周依次排列。径向分相：各相绕组按圆周依次排列。 轴向分布 步进电机工作原理 步进电机的工作原理实际上是电磁铁
5、的作用原理。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，其转子转过的角度度 称为步距角。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
6、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。通电的相序，电机的运行方向会改变。 步进电机工作原理 上面所述的这种通电方式称为三相三拍。还有一种三相六拍的通电方上面所述的这种通电方式称为三相三拍。还有一种三相六拍的通电方式，它的通电顺序是：顺时针为式，它的通电顺序是：顺时针为 A AB B BC C CA A ；逆时针为 A AC C CB B BA A 。 若以三相六拍通电方式工作，当若以三相六拍通电方式工作，当 A相通电转为相通电转为 A和和 B同时通电时，转子同时通电时，转子的磁极将同时受到的
7、磁极将同时受到 A相绕组产生的磁场和相绕组产生的磁场和 B相绕组产生的磁场的共同吸相绕组产生的磁场的共同吸引，转子的磁极只好停在引，转子的磁极只好停在 A和和 B两相磁极之间，这时它的步距角两相磁极之间，这时它的步距角 等于等于30 。当由。当由 A和和 B两相同时通电转为两相同时通电转为 B相通电时，转子磁极再沿顺时针相通电时，转子磁极再沿顺时针旋转 30 ，与，与 B相磁极对齐。其余依此类推。采用三相六拍通电方式，相磁极对齐。其余依此类推。采用三相六拍通电方式，可使步距角可使步距角 缩小一半。缩小一半。 步进电机工作原理 综上所述，可以得到如下结论：综上所述，可以得到如下结论： (1) 步
8、进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转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过一个确定的角度，即步进电机的步距角 ； (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；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) 步进电机步距角步进电机步距角 与定子绕组的相数与定子绕组的相数 m、转子的齿数、转
9、子的齿数 z、通、通电方式 k有关，可用下式表示：有关，可用下式表示： 式中 m相相 m拍时，拍时， k=1； m相相 2m拍时，拍时， k=2；依此类推。；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（）和脉冲信号（ CP）。另外步进电机在停止）。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，所以时，通常有一相得电，电机的转子被
10、锁住，所以当需要转子松开时，可以使用脱机信号（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：环型分配器的功能：主要是把外部主要是把外部 CP端送端送入的脉冲进行分配，入的脉冲进行分配，给功率放大器，功率给功率放大器，功率放大器相应的晶体管放大器相应的晶体管导通，步进电机的线导通，步进电机的线圈得电。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、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）。（即激
11、磁方式）。 整步驱动 在整步运行中，同一种步进电机既可配整在整步运行中，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，即每个脉冲将使电机移动一个基本步距角，即 1.80 度度 (标准两相电机的标准两相电机的一圈共有一圈共有 200个步距角个步距角 )。 半步驱动半步驱动 在单相激磁时，电机转轴停至整
12、步位置上，驱动器收到下在单相激磁时，电机转轴停至整步位置上，驱动器收到下一脉冲后，如给另一相激磁且保持原来相继处在激磁状态，一脉冲后，如给另一相激磁且保持原来相继处在激磁状态，则电机转轴将移动半个步距角，停在相邻两个整步位置的则电机转轴将移动半个步距角，停在相邻两个整步位置的中间。如此循环地对两相线圈进行单相然后双相激磁步进中间。如此循环地对两相线圈进行单相然后双相激磁步进电机将以每个脉冲电机将以每个脉冲 0.90度的半步方式转动。所有度的半步方式转动。所有Leadshine公司的整公司的整 /半步驱动器都可以执行整步和半步驱半步驱动器都可以执行整步和半步驱动，由驱动器拨码开关的拨位进行选择。
13、和整步方式相比，动，由驱动器拨码开关的拨位进行选择。和整步方式相比，半步方式具有精度高一倍和低速运行时振动较小的优点，半步方式具有精度高一倍和低速运行时振动较小的优点，所以实际使用整所以实际使用整 /半步驱动器时一般选用半步模式。半步驱动器时一般选用半步模式。 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。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对于有时需要低速运行（即电机转轴有时工作在 60rpm以以下）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器获得广泛应用。其基本
14、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圈 200*16=3200步的运行精度（即步的运行精度（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？什么叫细分？ 为了提高步进电机控制的精度，现在的步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，所谓细分就是通进驱动器都有细分功能，所谓细分就是
15、通过驱动器中电路的方法把把步距角减小。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例如把步进驱动器设置成 5细分，假设原来细分，假设原来步距角为步距角为 1.8 ，那么设置成，那么设置成 5细分后，步细分后，步距角就是距角就是 0.36 。即原来一步可以走完的，。即原来一步可以走完的，设置成细分后需要走设置成细分后需要走 5步。步。 步进驱动器有关细分的设置 设置细分时要注意的事项：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、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，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
16、机的输出力矩减电机的转速越慢，而且电机的输出力矩减小。小。 2、驱动步进电机的脉冲频率不能太高，一、驱动步进电机的脉冲频率不能太高，一般不超过般不超过 2KHz，否则电机输出的力矩迅速，否则电机输出的力矩迅速减小。减小。 设置步进驱动器的拨码开关，使其输出相电流为 1.05A，细分数为 4。滚珠丝杠的导程为 5mm，整步方式下步距角为1.8 。 在没有设置细分时步距角是在没有设置细分时步距角是 1.8 ，即，即200个脉冲个脉冲 /转。设置成转。设置成 4细分后，则是细分后，则是800脉冲脉冲 /转。相当一个导程需要转。相当一个导程需要 800个个脉冲。脉冲。 高速脉冲输出 高速脉冲输出有脉冲
17、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（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 1-4 294 967 295范围内可调； 输出脉冲的周期以 s或 ms为增量单位，变化范围分别是 1
18、0 65 535s或 2 65 535ms。 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。
19、 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 200 PLC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 （ 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） 多段流水线的包络表多段流水线的包络表 从包络表起始地址的字节偏移址的字节偏移 段段 说说 明明 VBn
20、总段数（总段数（ 1 255）；数值）；数值 0产生非致命错误，无产生非致命错误，无 PTO输出输出 VBn+1 段段 1 初始周期（初始周期（ 2至至 65 535个时基单位）个时基单位） VBn+3 每个脉冲的周期增量每个脉冲的周期增量 （符号整数：（符号整数： -32 768至至 32 767个时基单位）个时基单位） VBn+5 脉冲数（脉冲数（ 1至至 4 294 967 295） VBn+9 段段 2 初始周期（初始周期（ 2至至 65535个时基单位）个时基单位） VBn+11 每个脉冲的周期增量每个脉冲的周期增量 （符号整数：（符号整数： -32 768至至 32 767个时基单
21、位）个时基单位） VBn+13 脉冲数（脉冲数（ 1至至 4 294 967 295） VBn+17 段段 3 初始周期（初始周期（ 2至至 65 535个时基单位）个时基单位） VBn+19 每个脉冲的周期增量值每个脉冲的周期增量值 （符号整数：（符号整数： -32 768至至 32 767个时基单位）个时基单位） VBn+21 脉冲数（脉冲数（ 1至至 4 294 967 295） 3 PTO/PWM寄存器寄存器 Q0.0和和 Q0.1输出端子的高速输出功能通过对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寄存器的不同设置来实现。实现。 PTO/PWM寄存器由寄存器由 S
22、M66SM85特殊存储器组成，它们的作用是监视和控制脉特殊存储器组成，它们的作用是监视和控制脉冲输出（冲输出（ PTO）和脉宽调制（）和脉宽调制（ PWM）功能。各寄存器的字节值和位值的意义如表。）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 Q0.0 Q0.1 说 明 寄存器名 SM66.4 SM76.4 PTO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 SM66.5 SM76.5 PTO包络由于用户命令异常终止 0：无错； 1：异常终止 SM66.6 SM76.6 PTO流水线溢出 0：无溢出； 1：溢出 SM66.7
23、SM76.7 PTO空闲 0：运行中； 1： PTO空闲 SM67.0 SM77.0 PTO/PWM刷新周期值 0 ：不刷新； 1 ：刷新 PTO/PWM输出控制寄存器 SM67.1 SM77.1 PWM刷新脉冲宽度值 0 ：不刷新； 1：刷新 SM67.2 SM77.2 PTO刷新脉冲计数值 0 ：不刷新； 1：刷新 SM67.3 SM77.3 PTO/PWM时基选择 0 ： 1 s； 1： 1ms SM67.4 SM77.4 PWM更新方法 0 ：异步更新； 1：同步更新 SM67.5 SM77.5 PTO操作 0 ：单段操作； 1：多段操作 SM67.6 SM77.6 PTO/PWM模式
24、选择 0 ：选择 PTO 1：选择 PWM SM67.7 SM77.7 PTO/PWM允许 0：禁止； 1 ：允许 SMW68 SMW78 PTO/PWM周期时间值（范围： 2至 65 535） 周期值设定寄存器 SMW70 SMW80 PWM脉冲宽度值（范围： 0至 65 535） 脉宽值设定寄存器 SMD72 SMD82 PTO脉冲计数值（范围： 1至 4 294 967 295） 脉冲计数值设定寄存器 SMB166 SMB176 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 SMW168 SMW178 包络表起始位置，用距离 V0的字节偏移量
25、表示（仅用于多段 PTO操作） 高速脉冲输出指令高速脉冲输出指令 1指令格式及功能指令格式及功能 PLS EN Q0.X 说明：说明： 1）高速脉冲串输出）高速脉冲串输出 PTO和脉宽调制输出和脉宽调制输出 PWM都由都由PLS指令来激活；指令来激活； 2）操作数）操作数 X指定脉冲输出端子，指定脉冲输出端子， 0为为 Q0.0输出，输出， 1为为Q0.1输出；输出； 3）高速脉冲串输出）高速脉冲串输出 PTO可采用中断方式进行控制，可采用中断方式进行控制，而脉宽调制输出而脉宽调制输出 PWM只能由指令只能由指令 PLS来激活。来激活。 功能： 当使能端输入有效时， PLC首先检测为脉冲输出位
26、（ X）设置的特殊存储器位，然后激活由特殊存储器位定义的脉冲操作 PTO指令编程举例指令编程举例 图 PTO脉冲串输出主程序 /I0.0上升沿 ， 复位输出 /调用 PTO设置子程序 /I0.1上升沿 ， 禁止所有中断 ， 停止脉冲串输出 通过 I0.0上升沿调用子程序 0设置 PTO操作，通过脉冲串输出完成中断程序 0来改变脉冲周期，通过 I0.1上升沿禁止中断完成脉冲串输出的停址。 PTO输出的结果如所示。对应的梯形图主程序、子程序 0示、中断程序 0如图所示。 图 7-15 PTO脉冲输出初始化子程序 /设置 PTO0控制字 /设置周期时间为 500ms /设置脉冲数为 6 /定义中断程序 0处理 PTO0中断事件 /全局中断允许 /激活 PTO0操作 ， PLS0由 Q0.0输出 2 PTO/PWM指令编程举例指令编程举例 2 PTO/PWM指令编程举例指令编程举例 图 7-16 改变 PTO输出脉冲周期的中断程序 /若当前周期为 500ms /则设置周期为 1000ms /激活 PTO0， 输出 1000ms周期的脉冲 /中断返回 /若当前周期为 1000ms /则设置周期为 500ms /激活 PTO0， 输出 500ms周期的脉冲 /中断返回
