基于PLC步进电机控制系统的设计(4)

⑷在几个串联回路相并联时，应该将触点多的放在梯形图上面。在几个并联回路相串联时，应该将触点最多的回路放在梯形图的最左面。这种安排指令较少。

⑸触点因花在水平线上，不能花在垂直分支上，被画在垂直分支上的触点，很难正确识别它和其他触点的关系，也难以判断通过触点对输出线圈的控制方向。所以梯形图的书写顺序自左向右、自上至下，CPU也按此顺序执行。

⑹梯形图中的触点可以任意串联、并联，但输出线圈不能串联，只能并联。

2.4.2 语句表

PLC的指令是一种与计算机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式。语句表表达式与梯形图有对应关系，由指令组成的程序叫指令程序。在用户程序存储器中，指令按步序号顺序排列。每一条语句指令都包含操作数和操作码两部分，操作数一般由标识符和地址码组成。

2.4.3 顺序功能图

顺序功能图，又叫状态转移图，是一种较新的编程方法。他将一个完整的程序分成若干段，各阶段具有不同的动作，阶段之间有一定的转换条件，转换条件满足就实现阶段转移，上一阶段动作结束，下一阶段动作开始。它提供了一种组织程序的图形方法。在顺序功能图中可以用其它语言嵌套编程，转换、路径和步是顺序功能图的三种主要元素。顺序功能图主要用来描述开关量顺序控制系统，根据它可以很容易画出顺序控制梯形图程序。整个程序完全按动作顺序直接编程，非常直观简便，思路很清楚，很合适顺序控制场合。

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第三章 步进电机概述

步进电机是一种将脉冲信号转换成角位移或直线位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输人脉冲个数成正比，其速度与单位时间内输人的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到各相绕组的相序有关。因此只要控制指令脉冲的电机绕组通电的相序、频率及数量，便可控制步进电机的输出方向、速度和位移量。步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成，并且可获得较高的控制精度，因而广泛应用在数控机床、数字系统、程序控制系统及航天工业装置中。

3.1 步进电机工作原理

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的转动方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电动机的工作原理实际上是和电磁铁的作用原理一样。当A相绕组通电时，转子的齿与定子AA上的齿对齐。若A相断电，B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子BB上的齿对齐，转子沿顺时针方向转过，如果控制线路按A→B→C→A…的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进电动机的转子便不停地做顺时针转动。若将通电顺序改为A→C→B→A…，步进电动机的转子将逆时针转动，这种通电方式称为三相三拍。而通常的通电方式为三相六拍，其通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A…及A→AC→C→CB→B→BA→A…，相应地，定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过15度。

3.2 步进电机的特性

步进电机转动使用的是脉冲信号，而脉冲是数字信号，这恰恰是计算机所擅长处理的类型。自从20世纪80年代以来开始开发出专用的驱动电路，今天在磁盘、打印机等的OA装置的位置控制中，步进电机都是重要的组成部分。总体来说步进电机特点如下：

1、不需要反馈，控制简单。

2、与微机的连接、速度控制及驱动电路的设计较简单。 3、没有角度累积误差 4、停止时也可保持转距。 5、不需要保养，故造价较低。

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6、即使没有传感器，也能精确定位。

7、根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。难以获得较大的转矩。 8、不宜用作高速转动

9、在体积重量方面没有优势，能源利用率低。

10、超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。

11、步进电机的角位移与输人脉冲数严格成正比，电机运转一周后没有累积误差，具有良好的跟随性。

12、由步进电机与驱动器电路组成的开环数字控制系统，既简单、廉价，又可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统。

13、步进电机的动态响应快，易于启停、正反转以及变速控制。 14、速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩。

15、步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。

3.3 步进电机的分类

步进电机的结构形式和分类方法较多。按照励磁方式分类，可将步进电机分为三类： ⒈反应式步进电动机（VR）。

采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，但动态性能相对较差。使用简单，使用较多。 ⒉永磁式步进电动机（PM）。

转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，转动步的角度一般是7.50。它的出力大，动态性能好；但步距角一般比较大。

⒊混合步进电动机（HB）。

这是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。这类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。

3.4 步进电机驱动器的直流供电电源的确定

⒈电压的确定

混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如ASD545R的供电 电压为18～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动

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器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。 ⒉电流的确定

供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源（环行变压器），电源电流一般可取I 的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.5～2.0倍。

混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围，电源电压通常根据电机 的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值 也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器

3.5 步进电机使用时的注意事项

1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，(0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度)间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。

2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。

3、若所带负载转动惯量较大，则应在低频下启动，然后再上升到工作频率，停车时也因从工作频率下降到适当频率再停车。 4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。

5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止时的定位精度。 6、在工作过程中，因尽量使负载均匀，避免负载突变引起误差。

7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。 8、若在工作中发生失步现象，首先应检查负载是否过大，电源电压是否正常。再检查驱动电源输出波形是否正常，在处理问题时，不应随意变换元件。 9、应遵循先选电机后选驱动的原则。

10、驱动电源的选择对步进电动机控制系统的运行影响极大。应该根据运行的具体要求，尽量选用先进的驱动电源。

3.6 步进电机驱动器的细分原理及一些相关说明

在国外，对于步进系统，主要采用二相混合式步进电机及相应的细分驱动器。 但在国内，广大用户对“细分”还不是特别了解，有的只是认为，细分是为了提高精度，其实不然，细分主要是改善电机的运行性能，现说明如下：步进电机的细分控制是由驱动器精确控制步进电机的相电流来实现的，以二相电机为例，假如电机的额定相电流为3A，如果

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使用常规驱动器（如常用的恒流斩波方式）驱动该电机，电机每运行一步，其绕组内的电流将从0突变为3A或从3A突变到0，相电流的巨大变化，必然会引起电机运行的振动和噪音。如果使用细分驱动器，在10 细分的状态下驱动该电机，电机每运行一微步，其绕组内的电流变化只有0.3A而不是3A，且电流是以正弦曲线规律变化，这样就大大的改善了电机的振动和噪音，因此，在性能上的优点才是细分的真正优点。由于细分驱动器要精确控制电机的相电流，所以对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。注 意，国内有一些驱动器采用“平滑”来取代细分，有的亦称为细分，但这不是真正的细分。

3.7 反应式步进电机

反应式步进电机，是一种传统的步进电机，由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动。反应式步进电机工作原理比较简单，转子上均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。

应用领域：反应式步进电机主要应用于计算机外部设备、摄影系统、光电组合装置、

图3-1、四相反应式步进电动机的结构

阀门控制、银行终端、数控机床、自动绕线机、电子钟表及医疗设备等领域中。

图3-1是一台四相反应式步进电机的结构示意图。定子铁心由硅钢片叠成，定子上有8个均匀分布的磁极，每个磁极上又有若干小齿（本例为5个）。各个磁极上套有线圈，径向相对的两个磁极上的线圈是一相。转子也是由硅钢片叠成的，若干小齿（本例为50个）在圆周上均匀分布，但转子上没有绕组。根据工作要求，定子小齿的齿距必须等于转子小

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