6ES7321-1BH10-0AA0技术参数

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步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

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一步运行的。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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为**)的特点，广泛应用于各种开环控制。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；

反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用较为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。

步进电机的一些基本参数：
电机固有步距角：
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如SL86S2114A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。
步进电机的相数：
是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
保持转矩（HOLDING TORQUE）：
是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机较重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机较重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
DETENT TORQUE：
是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。

步进电机的一些特点：
1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
2．步进电机外表允许的较高温度。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的较高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚**达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
4．步进电机低速时可以正常运转,但若**一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

1　步进电机、脉冲与方向信号

步进电机作为一种常用的电气执行元件, 广泛

应用于自动化控制领域。步进电机的运转需要配备

一个专门的驱动电源, 驱动电源的输出受外部的脉

冲信号和方向信号控制。每一个脉冲信号可使步进

电机旋转一个固定的角度, 这个角度称为步距角。脉

冲的数量决定了旋转的总角度, 脉冲的频率决定了

旋转的速度。方向信号决定了旋转的方向。就一个

传动速比确定的具体设备而言, *距离、速度信号

反馈环, 只需控制脉冲的数量和频率即可控制设备

移动部件的移动距离和速度; 而方向信号可控制移

动的方向。因此, 对于那些控制精度要求不是很高的

应用场合, 用开环方式控制是一种较为简单而又经

济的电气控制技术方案。

另外, 步进电机的细分运转方式非常实用, 尽管

其步距角受到机械制造的限制, 不能制作得很小, 但

可以通过电气控制的方式使步进电机的运转由原来

的每个整步分成m 个小步来完成, 以提高设备运行

的精度和平稳性。

控制步进电机电源的脉冲与方向信号源常用数

控系统, 但对于一些在运行过程中移动距离和速度

均确定的具体设备, 采用PLC (可编程控制器) 是一

种理想的技术方案。

2　控制方案

在操作面板上设定移动距离、速度和方向, 通过

PLC 的运算产生脉冲、方向信号, 控制步进电机的

驱动电源, 达到对距离、速度、方向控制的目的,

1。操作面板上的位置旋钮控制移动的距离, 速度旋

钮控制移动的速度, 方向按钮控制移动的方向, 启ˆ

停按钮控制电机的启动与停止。

在实际系统中, 位置与速度往往需要分成几挡,

故位置、速度旋钮可选用波段开关, 通过对波段开关

的不同跳线进行编码, 可减少操作面板与PLC 的连

线数量, 同时也减少了PLC 的输入点数, 节省了成

本。一个n 波段开关的较多挡位可达到2n。

在对PLC 选型前, 应根据下式计算系统的脉冲

当量、脉冲频率上限和较大脉冲数量。

脉冲当量= 步进电机步距角×螺距

360×传动速比

脉冲频率上限= 移动速度×步进电机细分数

脉冲当量

较大脉冲数量= 移动距离×步进电机细分数

脉冲当量

根据脉冲频率可以确定PLC 高速脉冲输出时

需要的频率, 根据脉冲数量可以确定PLC 的位宽。

同时, 考虑到系统响应的及时性、可靠性和使用寿

命, PLC 应选择晶体管输出型。

步进电机细分数的选择以避开电机的共振频率

为原则, 一般可选择2、5、10、25 细分。

编制PLC 控制程序时应将传动系统的脉冲当

量、反向间隙、步进电机的细分数定义为参数变量,

以便现场调整。

3　应用实例

1 3

笔者应用PLC 脉冲控制步进电机的技术, 对生

产上引法无氧铜管的设备进行了电气控制。

上引法无氧铜管的生产过程是: 将电解铜加入

工频感应炉, 使其熔化成铜液, 在铜液中浸入1 个通

有冷却水的结晶器, 流入结晶器的铜液经过0. 5～ 3

s 后, 便结晶成了固态铜管。然后, 一边由引棒将固

态铜管从结晶器中导出, 一边重复上述结晶过程, 慢

慢地将固态铜管牵引至摩擦压轮, 以后根据工艺间

隔时间由步进电机带动摩擦压轮, 将固态铜管源源

不断地从结晶器中牵引出来。牵引出来的铜管依次

进入校直、轧管、盘管、冷拉等工序, 生产出不同规格

的自来水管或空调、冰箱的热交换器用铜管。

设备应满足如下的生产工艺要求:

引管距离6 挡ˆ(mm ·次- 1) : 2、2. 5、3、3. 5、4、

5;

引管速度7 挡ˆ(mm ·m in- 1 ) : 115、130、140、

150、160、170、180;

牵引与结晶时间比: 1∶1;

引管方式: 间歇式;

牵引方向: 不变;

设备运行: 连续。

可见, 距离开关为6 挡, 速度开关为7 挡, 组合

后共有42 种牵引方式。根据计算, 距离、速度信号各

需3 个输入点就能达到设定的挡数要求, 启ˆ停按钮

需1 个输入点。根据工艺要求, 牵引方向不变, 故操

作面板上不设置方向按钮, 步进电机的旋转方向不

通过PLC 来控制, 而是采用直接跳线来完成设置。

脉冲信号需1 个输出点, 信号灯需2 个输出点。步进

电机采用25 细分工作模式, 以避开电机的共振频率

区。PLC 选用了具有8 个数字量输入点、6 个数字量

输出点的S IEM EN S 公司生产的S IMA T IC S7-

200 CPU 222。另外, 在控制程序中用多段管线操作

设计了电机的升降过程, 以满足大负载启动的要求。

电气控制原理见图2。

图2　电气控制原理

制作时, 首先将面板上的距离、速度波段开关按

图2 进行跳线, 完成二进制编码, 这样节省了7 个

PLC 输入点, 简化了连接, 提高了系统可靠性, 同时

也降低了设备的制造成本; 然后将各波段开关、按钮

的输出与PLC 相连。设备运行时, PLC 根据操作面

板上各开关的设定位置, 由控制程序产生某一频率

和数量的高速脉冲, 并将其输出至PCB, 由PCB 完

成电平转换。转换后的电平信号送至步进电机驱动

器, 拖动步进电机按设定的速度旋转相应的角度, 较

终达到控制距离和速度的目的。

4　结论

该设备经3 个多月的运行考核, 证明将PLC 脉

冲控制步进电机技术应用于中、小功率牵引设备中,

具有控制简单、稳定、等特点, 是一种切实可

行的电气控制方案。

前言：包钢炼铁厂综合料场皮带传送系统采用132KW两台电机（一主一从）进行传动。原有系统采用接触器启动。传送皮带长度大约在500米左右。正常情况下直接启动对系统没有影响，但是当发生送料过程中有意外故障而造成停机时，系统检修结束后要求再启动时，就会出现启动非常困难，造成接触器过热烧毁甚至发生因过电流造成相间短路的现象。若采用一般常用的降压软启动方式，由于启动力矩与电压的平方成正比，因此根本无法实现重载启动。为此，我们采用艾默生公司的EV3000系列高转矩、高精度变频器作为电机控制核心，配合EC20系列PLC实现两台变频器的主从控制，实现两台电机同频率或负荷平衡运转。

1、变频控制系统

1.1系统参数：

皮带电机为132KW，电流245A，四较，转速1480 R/MIN

设计采用EV3000-4T132G（高性能）系列变频器。 配合EC20系列PLC及模拟量组合模块5AM（四模入、一模出），通过PLC作PID闭环控制。其中主变频器的给定采用数字量设定或模拟量设定均可，将主变频器的输出频率作为PID的给定量，将从变频器的输出频率作为PID反馈环节，PID输出量作为从变频器的给定值，从而实现主、从变频器的频率一致运行。具体原理参见附图一至五

1.2变频参数设置

主变频：

F0.02=4 V/F控制 F0.03=0 数字设定，由面板给出

F0.04=50 主机给定 F0.05=1 端子控制

F0.10=60S 加速时间 F0.11=20 减速时间

由于现场不具备电机调谐运行（接手无法打开），因此控制方式采用V/F控制，电机参数F1.00-1.08按电机实际参数设置。

F2.09=1 停机方式为自由停车

F6.08=0 AO1输出信号为实际运行频率

F6.09=3 AO2输出信号为实际运行电流

F6.12=20% AO2信号输出偏置为20%

具体原因是：由于AO2信号送入楼上控制站计算机室，控制站PLC要求信号为4-20MA。因此，当变频器输出电流信号为4MA时，对应实际电流为0；即将4MA/20MA=20% ，输出偏置即位20%。

从变频：

F0.02=4 V/F控制 F0.03=5 模拟设定，由PLC给出

F0.05=1 端子控制

F0.10=60S 加速时间 F0.11=20 减速时间

F2.09=1 停机方式为自由停车

F6.08=0 AO1输出信号为实际运行频率

F6.09=3 AO2输出信号为实际运行电流

F6.12=20% AO2信号输出偏置为20%

2、PLC控制系统

2.1 PLC硬件配置

由主机EC20-1410BRA、模拟量组合EC20-5AM (四入一出)构成。其中输入的一通道为主变频器的实际运行频率；二通道为从变频器的实际运行频率，输入信号均为4-20MA；输出为从变频器的给定值，信号为0-10V。

2.2变频控制PID程序

LD SM1

TO 0 400 16#1 1 5AM模块初始化

LD SM1

TO 0 600 16#3311 1 输入1、2通道为电流信号3、4通道关闭。

LD SM1

TO 0 650 16#0 1 输出通道为0-10V信号

LD SM1

TO 0 500 16#1 1 通道设置更改允许

LD SM1

TO 0 800 16#1 1 输入通道设置更改确认

LD SM1

TO 0 801 16#1 1 输出通道设置更改确认

LD SM0

FROM 0 100 D100 1 读通道1数值（主变频运行频率）

LD SM0

FROM 0 101 D101 1 读通道2数值（从变频运行频率）

LD SM0

MOV D101 D21 通道2数值作为PID反馈值。

LD SM0

TO 0 0 D22 1 PID输出信号从输出通道输出（作为从变频给定）

LD SM0

CALL PID_EXE 调用PID执行程序

LD SM0

CALL PID_SET 调用PID设置程序

PID子程序

LD SM0

PID D20 D21 D0 D22 //子程序的PID指令生成公式PID S1 S2 S3 D

LD SM0

MOV D100 D20 //设定目标值

MOV 10 D0 //采样时间(Ts) 范围为1～32767(ms)但比运算的时间数值无法执行

MOV 33 D1 //动作方向

MOV 0 D2 //滤波时间常数

MOV 1000 D3 //比例增益(Kp) MOV 1 D4 //积分时间TI MS

MOV 0 D5 //微分增益(KD) MOV 0 D6 //微分时间

MOV 0 D15 //输入变化量MOV 0 D16 //输入变化量

MOV 2000 D17 //输出上限设MOV 0 D18 //输出下限设

2.3实际参数调整设置

最后经多次修改和调试，确定比例系数为10，积分时间为100毫秒，微分时间为零。经过运行发现能够满足现场的生产工艺，主、从皮带平稳启动。

3、连锁控制

连锁控制主要实现如下功能：

一、启动时主、从变频器一起启动，一起停止。

二、任何一台变频器故障，则另外一台变频器立即停止。

连锁控制的实现通过中间继电器（设计院设计，可以通过PLC实现）

4、实际运行情况：

经过2个月左右的运行发现，系统能够运行非常稳定，皮带启动电流为120A左右，主、从变频器启动频率完全一致，启动电流主变频器略大于从变频器，启动平稳可靠，完**够满足生产要求。 EV3000变频器设置面板具有中文显示功能，而且参数设置非常简单，便于现场的维护；该系列变频器在过载能力方面非常的强。由于变频器在初期调试时，皮带电机的抱闸没有打开，且减速机的油泵电机没有启动，当时的过载电流几乎达到450A，在大电流限幅下运行了十几秒，变频器没有发生任何故障。