西门子模块6ES7232-0HD22-0XA0产品齐全

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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,但若高于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，如果脉冲频率高于该值，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 引言
MZQ-200型纵向切片机作为生产装修板的主要机械，其基本工作原理是:机头通过特殊输送带按一定的压力压住木料，正向刨切成一定规格的薄片，每次刨切后并返回，接着机头下降，周而复始。

早期的切片机每次刨切后进给量是通过时间继电器控制普通的三相异步电动机来实现的，靠电磁刹车停止进给,但由于三相异步电动机的转速因负载的不同而变化，所以每次进给量是不相同的，较终造成压力不均，致使切片厚度不同，甚至无法刨切。也有通过调整微动开关的位置来控制进给电机的停止，来实现压力控制，但由于微动开关调整要凭借经验，所以也不利于调整。
随着工控技术的不断发展,可编程序控制器的性能价格比越来越高,步进电机受脉冲控制,位移量取决于脉冲数,而PLC又具有脉冲输出、脉冲控制功能，PLC与步进电机很容易实现位置控制功能。本系统将机头进给改为PLC控制步进电机,构成开环控制来实现精确进给。

2 系统构成
采用LG公司的PLC集中控制(内置2轴位置控制功能、高速计数功能等，编程软件采用梯形图)，采用KINCO公司的步进电机及步进电机控制器，另外用Easy view触摸屏与PLC通讯，显示、设定有关参数。其系统流程如图1所示。
(1) 系统设计
因为本系统只有一台步进电机，所以只有1轴位置控制，其中P40为PLC位置通道1的脉冲输出端子，P42为方向控制端子。PLC与步进电机控制器及步进电机接线如图2所示。

利用位置**启动指令POSDST S(通道*)、N1(**/相对坐标)、SV1(位置地址)、SV2(位置速度)可以实现定量控制，利用POSJOG指令实现点动控制，点动速度及方向可以通过梯形图设定。在位置控制界面可以设定加速时间(Accel)、减速时间(Decel)、电子齿轮间隙(Backlash comp)、基本速度(Bias Speed)及上限速度(Speed limit) 设**动的上限(High speed)及下限速度(Low speed)(单位为PPS)等参数，如图3所示。

(2) PLC通过RS232端口与触摸屏实现数据通讯
PLC通过RS232端口与触摸屏实现数据通讯，通过触摸屏显示有关数据以及帮助信息，设定有关数据。例如机头每次进给的距离，实际较终转换为PLC输出的脉冲数，较终控制步进电机进给步数。例如当传动比为1:30，丝杠螺距为6mm，步进电机200步/转时，步进电机设定步数(n)与机头实际进给量的关系为:n/200×1/30×6=0.1mm，即步进电机每走100步机头进给量为0.1mm。其中n就是PLC的位置地址，可以通过触摸屏设定，适当设定触摸屏的数值输入参数的小数点位置，即可以改变数值的10n或101/n倍。设定在触摸屏上输入0.1mm，对应PLC的输入数值即为100，PLC将通过*通道输出100个脉冲，从而控制步进电机运行100步。以上设定是为了使操作者更加方便、直观地设定参数。

如果忽略机械传动间隙，不难得出本机机头自动下降精度为1/200×1/30×0.6mm=0.001mm。
有关PLC的位置控制参数设定及梯形图请参照图4。

另外利用PLC的减计数器指令，可以预先设定刨切数量，以方便定量包装。

3 结束语
综上所述，利用PLC控制步进电机实现进给，简化了电路的设计，提高了系统的稳定性、设备的进给精度，通过编程软件可以方便的编制梯形图以及设定有关参数，利用触摸屏可以准确、直观的显示、设定有关参数，有效的提高了产品质量以及设备档次

1           项目简介

某公司有多台薄膜卷绕机需要进行自动化控制改造。

原设备采用机械式计数，卷绕动力采用离合器传动，元件卷绕的起动、停止、圈数控制等均由人工操作控制，因此存在产品参数离散性大、产品质量与生产效率因人而异等不足之处。

工艺要求简述：由于卷制材料是10几微米的薄膜，要求卷轴平稳起动，均匀加速，以使用张力平稳；中间在某些位置需要停顿，作一些必要的处理，再继续卷绕；和起动一样，停顿或停止时，必须均匀减速，保持张力平稳；要求最后圈数准确。

2           控制系统构成

很自然地想到S7-200PLC应该能够实现项目要求的控制功能。

S7-200CPU本体已含有高速脉冲输出功能，普通型号的CPU脉冲输出频率达20KHz，而224XP（CN）更是高达100kHz，可以用来驱动步进电机或伺服电机，再由电机直接驱动卷绕主轴旋转，完成工艺所要求的动作。

步进电机在成本上具有优势，但是步进电机的运转平稳性不如伺服电机，而两者的定位精度（圈数）的控制，在本工艺里都可以达到要求。我们考虑先试用步进电机的方案。

步进电机的驱动，实际上是由相应的步进电机驱动器负责的，所以步进电机的相数齿数等等问题由相应的驱动器解决，选择步进电机要考虑的主要是体积、转矩、转速等，不是本文的重点；

PLC向驱动器送的仅为代表速度与位置的脉冲，这里要考虑的是步进电机在规定的转速下是否足够平稳，是否适合作为薄膜卷绕的动力。

我们作了一个模型机进行试验，采用细分型的驱动器，在50齿的电机上达到10000步/转，经17：25齿的同步带减速传动（同时电机的振动也可衰减），运转很平稳，粗步确定可以达到工艺要求。于是正式试制一台，也获得成功，性能达到工艺要求，目前已经按此方案批量进行改造。

CPU选择224XPCN DC/DC/DC，系统构成如下：

224XP*1、步进电机*2、细分型驱动器*2、TD200*1、LED显示屏*1、编码器*1。

2.1         PTO0（Q0.0）输出一路高速脉冲，负责驱动卷绕主轴的旋转；

2.2         PTO1（Q0.1）输出一路高速脉冲，负责驱动主轴的水平直线移动；

2.3         一个正交增量型编码器装在主轴上，作为卷绕圈数的反馈；

2.4         TD200作为人机界面，用于设定参数

2.5         一个LED显示屏用于显示实时的卷绕圈数。在实际生产中，工人需要时时参考卷绕的进度，LED显示比LCD醒目，所以这里放置了一个自制的LED显示屏。LED屏和PLC的连接方式，可参考本人在2003年的专家论文集中的文章。

3           控制系统完成的功能

3.1         控制系统首先要实现的功能，是卷绕的平稳起动、加速、减速、平稳停止。在新版的S7-200中，支持高速输出口PTO0/PTO1的线性加/减速，通过MicroWin的向导程序，非常容易实现。实际上，以目前的情况，线性加减速只能使用向导生成的程序，Siemens没有公开独立可使用的指令。

3.2         使用位置控制向导生成以下四个子程序（**CPU内的PTO，不包括专用模块的情况），以PTO0为例：

3.2.1          PTO0_CTRL：每周期调用一次，可以控制PTO0的行为；

3.2.2          PTO0_MAN：可以控制PTO0以某一频率输出脉冲，并且可以通过程序随时中止（减速或立即中止）；

3.2.3          PTO0_RUN：运行(在向导中生的)包络，以预定的速度输出确定个数的脉冲，也可以通过程序随时时中止（减速或立即中止）。

3.2.4          PTO0_LDPOS：装载位置用，本例使用相对位置，所以不必装载。

本例的工艺要求，输出脉冲数可变（圈数可设定），又要在工艺允许的情况下尽可能地按*的速度运行，也要随时能够减速停止，包括人工手动的停车要求。直接使用PTO0_MAN和PTO0_RUN都无法直接满足要求，以下来研究配合辅助手段如何实现。

3.3         精确的位置（圈数）控制

3.3.1      PTO0_RUN + 中断

卷绕定位与圈数控制，达到0.1圈以内的精度即可，以10000步/转的细分驱动器，0.1圈相当于1000脉冲。

使PTO正以较高100kHz速度输出脉冲，以1ms的时间响应中断，脉冲的误差约为100个，所以从理论上说，中断方式把脉冲误差控制在1000个以下完全可以。

如何实现？我们来看下面一个PTO0_MAN指令执行的示意图：

有恒速阶段

无恒速阶段

当PTO0_MAN指令RUN=1允许脉冲输出时，脉冲序列从较低速（起始速度，本例设为100p/s，很小，可以认为0）线性加速，加到*速度speed后保持匀速，当收到减速停止RUN=0命令时，线性减速，至较低速后停止。

所以，我们只要在脉冲输出前计算出停止指令执行的位置，并在此位置设置中断以便执行减速停止指令，就可保输出的序列脉冲个数在要求的误差范围内。

计算过程：

本例加速和减速的斜率是相同的，比较简单，如果两个斜率不同，计算稍麻烦一点，原理差不多。

3.3.1.1     用向导生成一个较高速单速包络，从生成的PTO0_DATA中找出加速和减速脉冲数（可以参考3.3.2节的描述），如果加减速斜率相同，这两个数应该是一样的，由于计算精度的关系，差几个脉冲也属正常。这个数据在程序中可以作为常数使用。

3.3.1.2     如果目标脉冲数大于加速和减速脉冲数之和，表示脉冲输出可以加速到较高速，有恒速阶段，那么中断位置=目标脉冲数-减速脉冲数；

3.3.1.3     如果目标脉冲数不大于加速和减速脉冲数之和，无恒速阶段，包络变成一个等腰三角形（两边斜率相同的情况），那么中断位置=目标脉冲数/2。

3.3.1.4     更进一步，水平恒速的速度可变，就象本案的情况，卷绕速度是可设定的，而且这个速度受机械/电机较高限速、薄膜较高线速的限制，取三者中的较小值，然后才能确定加速到该速度所需的脉冲数，通过简单的数学计算即可获得。

3.3.2      PTO0_RUN + 修改包络参数

可以看出，一个较简单的包络分为4段（VB1025）：

段0：加速段，加速脉冲数在VD1033

段1：恒速段，恒速脉冲数在VD1043

段2：减速段，减速脉冲数在VD1063

段3：较终减速脉冲数，VD1063。依我的经验看，这个较终减速脉冲数始终为1。

在向导中，只能生成有限的包络，如果目标脉冲数任意的，我们只好修改包络里面的数据了。加速段和减速段的脉冲数不方便改，因为线性加减速的指令并不清楚，所以只好修改恒速段的脉冲数。实践明，修改恒速段的脉冲数，可以非常容易且准确地控制输出脉冲数。一的限制是，总的脉冲数，必须大于加减速段+较终减速段脉冲数之和，也即恒速段的脉冲不能小于1。

使用步骤：

3.3.2.1     在启动PTO0_RUN之前，计算出恒速段的脉冲数=目标脉数数-加减速脉冲数之和-1，填入包络表中的恒速位置；

3.3.2.2     启动PTO0_RUN。

3.4         在本项目的设备改造中，主轴卷绕的圈数、中间起停点的变化范围大，使用“PTO0_RUN + 中断”，安排在Q0.0输出；

中断是由高速计数器触发的，所以在Q0.0的向导中使能HC0为作脉冲输出内部反馈，在启动PTO0前使能12#中断“HSC0 CV=PV”，中断程序样例如下：

LD     SM0.0

R      M20.4, 1

CALL   PTO0_MAN, M20.4, PTO0_V, VB290, VD292

DTCH   12

主轴的水平直线运动，行程比较固定，调节范围小，使用“PTO1_RUN + 修改包络参数”，安排在Q0.1。

4           项目运行

首台设备改造完成于2005年12月，至目前已有6台投入运行，效果达到预期的目标，保证了产品质量的一致性，生产效率也有提高，工人劳动强度明显降低。

             控制箱实物

5           体会

S7-200是一款是非常优秀的微型控制器，许多功能进行深入研究之后可以做到灵活应用，拓宽其在小型控制领域的应用范围，同时保持较低的应用成本。

S7-200非常象一台带控制IO功能的**级微型计算机，使用STL编程，完全不受继电器逻辑那一套框框的约束，可以象一种计算机语言一样自由地编程。