西门子6ES7341-1CH02-0AE0详细说明

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是产品中的关键组件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。随着计算机应用技术、和自动控制技术在国民经济各个领域中的普及与深入，步进电机的需要量越来越大。有资料说明，世界上步进电机的年产量以10％以上的速度增长。国内对步进电机的需求同样也与日俱增。实际工作中，很多工程技术人员和技术工人都希望比较全面地了解步进电机及其控制技术。

步进电机的品种规格很多，按照它们的结构和工作原理可以划分为磁阻式(也称反应式或变磁阻式)电机、混合式电机、永磁式电机和特种电机等四种主要型式。尽管一台电机的内部几何形状不完全相同或者完全不相同，但总能以其中的一种来描述它的特性，因此，我们把注意力集中在这四种基本型式的步进电机上。使用步进电机的控制系统有下面几个明显的优点：

(1)通常不需要反馈就能对位置或速度进行控制；

(2)位置误差不会积累；

(3)与数字设备兼容。

因上述原因，故计算机外部设备和类似系统广泛使用各种不同型式的步进电机

韩国SEOH0电气株式会社，成立于1981年， 从成立以来，公司致力于研制电机驱动系统及其管理系统，因此，公司拥有与驱动系统相关的技术水平。公司已经向国内外客户提供了大量的驱动以及控制系统，比如线缆制造、金属以及钢铁制造、起重机控制系统等。1995年开始研制变频器并取得成功，SOHO-SM系列变频器广泛应用在纺织、冶金、机械、石化等领域，下面是几个应用示例。
一、SOHO-SM变频器在恒压供水自动控制系统中的应用：
变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使供水的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今较先进、合理的节能型供水系统。
变频恒压供水自动控制系统工作原理如下：
系统正常运行时，用户用水管网上的压力传感器对用户的用水水压进行数据采样，并将压力信号转换为电信号，传输至PID调节器，然后与用户设定的压力值进行比较和运算，并将比较和运算的转换为频率调节信号和水泵启动台数信号分别送至变频器和可编程控制器（PLC）；变频器据以调节水泵电机的电源频率，进而调整水泵的转速；可编程控制器械根据PID调节器传输过来的水泵启动台数信号控制水泵的运转。通过对水泵的启动和停止台数及其中变频泵转速的调节，将用户管网中的水压恒移稳于用户预先设计的压力值，使供水泵组“提升”的水量与用户管网不断变化的用水量保持一致，达到“变量恒压供水”的目的。
以下为韩国SEOHO电气株式会社研发的SOHO-SM矢量变频器在某市**供水工程中的应用系统由可编程控制器，SOHO-SM变频器和电动机组成，采用可编程序控制器（PLC）控制变频调速器，具有控制水泵恒压供水的功能。通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成4～20mA的模拟信号，通过PLC内置的PID控制器，来改变电动水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动水泵的转速不在变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之已然。这样通过闭环PID控制就达到恒压供水的目的。　　 
当电机出现故障（即：过压、过流、过载、电机过热保护）后，系统会自动停止运行，当系统恢复后，再重新按操作步骤进行操作。
二、SOHO-SM系列变频器在纺织机械中的应用
棉纺织设备的大部分机器采用了变频调速技术、可编程控器（PLC）技术，也已有相当一部分的产品采用了工控机、单片机、交流伺服系统、触摸屏人机界面以及现场总线技术，实现了纺机产品的机电一体化，SOHO-SM变频器在纺织设备上应用很普及，从清花、梳棉、并条、粗纱、细纱、络筒、整经、浆纱、无梭织机等均已采用。按使用情况可分为三种类型：
第一类：一台主机选用一台SOHO-SM变频器控制一台电动机，如并条机、粗纱机、细纱机等。
第二类：一台主机选用一台SOHO-SM变频器控制多台电动机，如并纱机、气流纺机（单锭单电机传动型）等。
第三类：一台主机用多台SOHO-SM变频分别控制多台电动机，并由计算机控制多电机协调同步，和实现卷绕成形功能，如取消锥轮的新型粗纱机、取消长边轴传动和无级变速器的新型浆纱机，分条整经机等。
纺织设备上应用的SOHO-SM变频器的容量范围： 
0.37KW～500KW， 以上为0.37KW～37KW。
SOHO-SM矢量变频器在在梳棉机中的应用。
某棉纺厂使用的梳棉机老机在设计方面由于受到当时的技术条件、设备制造成本，市场需要等因素的限制不可避免的存在着一些缺陷。如A186D型梳棉机道传动系统中的电磁离合器由于故障较高，经常造成停台，不时出火警，给生产效率与产品质量造成一定的损失，要保持与维护需投入大量的人力与物力。惯性轮电磁离合器被弃用。这样在道夫慢转快的过程中产生细条，严重时出现破边，棉网拉断的现象影响生条质量。为避免这种现象，操作工用不当的操作办法来以上设备缺陷，但要造成大量的废条，同样是不可取的。 
使用SOHO-SM矢量变频器改善梳棉机运行状态的过程：A186D梳棉机为了使道夫达到升、降速平滑，在机械传动中设计双速电机，惯性轮、电磁离合器，用电气加机械的手段来实现。A186E、A186F、FA201梳棉机设计中又增加了电动机的星-三角转换这一控制环节，从而进一步改善了升、降速斜率。FA201B、FA212梳棉机采用了SOHO-SM矢量变频器调速，从而实现了道夫升速斜率的任意调节，道夫工艺转速的任意可变的功能。为老机改造提供一个好的范例。 
对A186D老机进行SOHO-SM矢量变频器调速改造，不但提高设备性能，降低故障停台。还能提高生产效率与生条质量。
三、SOHO-SM变频器在提升设备中的应用
SOHO-SM变频调速器以16位或32位微处理器为核心，内部包括控制和驱动两大部分。变频器可通过其外部控制端子实现启停、正反转、S曲线加减速及多段速度控制。矢量控制运算中要用到的电机本身的一些参数，可由变频器自动测出。此外，该变频器还具有过流、过载、电动机过热、过压及欠压，超速及失速等保护功能。变频器还能提供运行停止信号，零速信号，速度到达信号及运行准备信号等，可编程控制器综合外部信号和变频器给出的控制信号，经分析及逻辑运算向外部设备及变频器给出控制命令。电梯调速控制的关键是启动加速和减速平层，对其控制时要掌握以下几点：
1、启动控制
为使电梯启动时平稳无冲击，无反向溜车，启动控制应按以下顺序：
（1）首先向变频器发出预励磁命令，给电动机建立磁场（此时速度给定为零）；
（2）经**级延时后发出打开抱闸指令；
（3）再经第二级延时确认抱闸打开后给出速度指令。
2、减速平层控制
电梯减速按照距离直接停车平层，即要求各层站的减速距离完全一致。减速到平层时无爬行过程，由运行速度直接向零速减速。为保停车时的舒适感，应确认电梯到达零速时（此信号由变频器给出）才给出合抱闸命令，再经一级延时，给出停止励磁指令。若停车后电梯没有平层，应进行再平层控制。
3、再平层控制
若电梯停车后没有准确平层，或平层后因钢丝绳形变使轿厢移位，应进行再平层。再平层应在较低的速度下进行（通常为运行速度的1%），且应在电梯门打开，电梯处在平层区内的情况下进行。SOHO-SM型变频器有很好的低频转矩扭力，我们测得电梯在110%额定载重下仍能可靠地进行再平层。
由于控制系统采用了脉冲编码定位控制技术，故井道内省略了减速感应器，只在轿顶留下了一套平层感应装置，并具有再平层功能。
实践明，改造后的电梯运行舒适感好，启动、减速、平层的舒适感不因轿厢负载的变化而变化，取得了令人满意的效果。
改造中应注意的几个问题
电梯技术改造并没有固定模式，一切应根据现场实际情况来定。但我们在将旧式交流双速梯和调压调速梯改造成变频调速电梯过程中觉得以下几个常遇到的问题应特别引起注意，以确保改造后电梯的安全使用。
1、货梯改全自动集选控制方式时，应补装安全触板或光电保护装置，无测重装置的应设法补装。
2、保持原额定载重量，额定速度不变，保持钢丝绳原曳引比方式不变。
3、应用线路或软件保证轿顶行慢车时，轿内和机房不能走车，以确保轿顶操作人员的安全。
4、层门无自动关闭装置的应在每层层门上增设可靠的层门自动关闭装置。
5、层门门扇是由绳、链联接时，被动门扇应补设电气安全装置。
6、检查测试限速器、安全钳及其联动情况，不合格的限速器必须更换。
7、制动器应作全面分解，闸带上不允许有油垢，电磁铁可动铁芯与铜套间要干净，并用石墨粉润滑。
四、SOHO-SM系列变频器在水泥机械中的应用
变频调速技术在我国水泥行业的应用日趋广泛。在生产工艺需要调速的许多环节，如回转窑、单冷机、喂料机、配料系统、风机、水泵等，以交流变频调速取代调压调速、滑差调速以及直流调速已成为一种必然趋势。
在水泥粉磨工艺中，球磨机入磨物料粒度的大小，对其台时产量影响较大，预破碎工艺作为提高磨机台时产量、降低粉磨电耗的重要途径，引起了许多水泥企业的重视。根据工艺要求，水泥立窑放料每次持续2～3 min，间隔2～3 min，但目前几乎所有水泥企业中破碎机处于工频恒速运行状态，24 h连续运转，造成电能的巨大浪费，并影响电机和破碎机的使用寿命。另一方面，由于破碎机具有十分大的惯性，不易频繁启停，所以即使使用变频器也难以解决系统制动时产生的泵升电压引起保护电路动作，使系统无法正常工作。
针对系统的以上特点，利用SOHO-SM系列变频器实现破碎机的变频调速和软启动；利用再生能量回馈单元克服破碎机制动过程中产生的过高的泵升电压；利用PLC实现系统的逻辑闭环控制，使破碎机的工作与立窑放料同步，实现间歇运行。从而在改善工艺控制质量的同时，较大限度地节约了电能，降低了生产成本。现场调试和运行结果表明，系统运行可靠，节电率可达60%以上。
上述系统已在某水泥厂投入实际运行。系统根据送料信号自动实现启制动运行，破碎机运行速度连续可调。电机可以实现频繁软启动，基本无启动电流冲击，启动力矩足够。系统在变频运行条件下，若变频器突然故障，则自动切换至“工频”状态继续运行，同时发出声光报警信号（内部可选）。根据现场工况需要，将有放料信号时变频运行给定频率设为43 Hz，系统运行电流为27 A，运行电压280 V，改造后的系统平均每年耗电5.7万度。根据现场记录，系统在改造前工作频率为工频50 Hz，运行电流为32 A，运行电压400 V，平均每年耗电19.42万度。改造后的节电率为70.6%。该系统的**优点如下：
1、利用变频调速技术改造了水泥熟料破碎机的拖动系统，满足了破碎机的低速、间歇运行特点，保证了工艺控制质量，节能效果明显，并有利于延长破碎机和电机的使用寿命。
2、利用能量回馈控制技术克服破碎机大惯性引起的泵升电压，有效地保证了变频器的安全运行。系统除了变频器和能量回馈装置所具有的20余种保护功能和故障自诊断功能外，还增设了电机过热、控制回路保护及报警。
3、利用可编程控制器PLC实现了各种逻辑控制、变频器启制动自动控制及手动/自动、工频/变频转换和故障自切换等功能，使系统控制灵活方便，功能齐全。 
五、SOHO-SM系列变频器在物流机械中的应用
调速皮带秤是一种用于测量和控制皮带输送机的速度和物料流量的实时连续计量装置，广泛应用散装固态原料的计量控制和输送。
当电机驱动时，物料随着皮带的运动输出，经荷重传感器Ｗ并将其转换成电信号，送入控制器中；同时速度传感器也将的电动机转速信号送入控制器中。速度信号和荷重信号经控制器进行变换和处理，计算出物料的瞬时流量和累计流量等，并与设定值进行比较后，通过ＰＩＤ等方式调节输出控制信号，以控制电动机转速，使物料的流量稳定在设定值上。
由于皮带秤是一个制、计量与输送为一体的设备，采用SOHO-SM变频器可以确保其在工业环境下的稳定、可靠的工作。
实践证明，在工业环境比较恶劣的情况下，采用滑差电机调速时，由于滑差离合器密封性不好，离合器容易被灰尘或异物堵死而造成飞车（失控）现象。滑差调速电动机的低速性能很差，当皮带秤在低速运行时，皮带机的速度往往处于一种不稳定状态，严重时会影响到皮带秤的正常工作和计量精度。另外，当要求皮带秤的设定值变化范围较大时，滑差调速电动机的调速范围就显得不够。
采用SOHO-SM变频器除了能很好的解决上述问题外，还可以利用SOHO-SM变频器调速时机械特性很硬、转差率小的特点。通过对皮带秤的荷重信号检测，采用预置控制与ＰＩＤ控制相结合的控制方法，大大提高系统的响应时间。这对于皮带秤上物料忽然变化很大时，确保皮带秤的控制和计量精度是非常重要的。
应用SOHO-SM变频器在节能方面应用效果亦十分显著。它在水泵和风机上的应用，与传统的阀门、档板相比可节电约40%。以１个100kW的风机为例，按年工作时间8000h计算，一年可节省32万kWh。
六、SOHO-SM变频器其余应用实例 
1、中央空调变频调速： 
采用SOHO-SM变频器对中央空调系统中的冷冻水泵组、冷却水泵组进行调速，可实现一台SOHO-SM变频器同时控制多台水泵，节能，避免了“大马拉小车”现象，节电率30%～60%。同时能实现多点温、湿度检测及集中监控、达到较佳舒适度控制。 
2、注塑机变频调速控制： 
注塑过程一般分为以下步骤：锁模→保压→熔胶加料→冷却定型→开模顶针。每个步骤的负荷是不同的，采用SOHO-SM变频器对油泵进行控制，可以对应每个步骤输出相应功率，从而显著节约电能，节电率30%～60% 
3、行车电机变频调速控制： 
行车一般有多台电机，分别控制大车、小车及吊钩上下，这几台电机都可用SOHO-SM变频器加以改造。改造后具有以下明显优点：
（1）.电机启动电流小，转矩大，避免了大电流冲击，节电显著。
（2）.节约备件，*更换接触器等低压电器。
（3）.*人工维护，可靠性极高。 
4、风机，水泵变频调速改造： 
传统的风机、水泵是通过风门档板或阀门来调节流量，由于流量与转速成正比、功率与转速的3次方成正比。因此采用SOHO-SM变频器通过调节转速来调节流量，其功率（耗电量）会呈3次方下降，节能效果非常明显，节电率可达30——70%. 
5、在绕线机、拉丝机上应用SOHO-SM变频器： 
有启动平稳、启动力矩大、无级调速的特点，能提高产量、降低故障率。 
6、锅炉风机变频调速： 
锅炉风机包括引风机及鼓风机，一般是通过调节风门档板改变送风量、采用变频器后，可将风门档板调节至较大，通过SOHO-SM变频器进行调速。一般节电率都在40%以上。 
7、空压机变频调速： 
通过一台SOHO-SM变频器能同时控制多台空压机，避免电机空转耗能，*专人值守，自动实现恒压供气，节能。 

SOHO-SM变频器广泛应用于以下领域： 

系统的控制信号功率很低，如用ttl数字提供的5v/18ma信号进行控制。而产生1.2n.m转矩的磁阻式步进电机，通常需要5v/3a的额定值对绕组励磁。因此，控制电路连接到步进电机前必须经过几级开关放大。许多制造厂已在提供与步进电机相匹配的驱动电路。不过，步进电机用户在这个领域内仍有相当大的改革余地。本节就步进电机对驱动电路的基本要求，介绍其基本驱动电路和一些常用的、比较完善的驱动电路。

由步进电机的动态特性可知，若步进电机以高速工作，则时间常数的影响显著增大：导通期间，电流不能迅速上升到额定值；截止期间，绕组电流不能立即消失。因而，步进电机产生的转矩明显下降。除此之外，励磁绕组两端在截止时刻还会产生很高的反电势，若不采取措施，则有可能损坏开关元件。

针对这些问题，通常对驱动电路有如下要求：(1)能够改善电流波形的上升沿和下降沿，即产生接近矩形的电流波形。考虑电路简单，等因素。小功率步进电机可通过串联限流电阻减少时间常数,拓宽工作频率范围。不过，为了维持电机静止时的相电流额定值，电压必须增加。因此，需要的直流电源容量比较大。电机静止时，电源输出的主要部分消耗在串联的限流电阻上。这时，限流电阻上产生的热量必须迅速散发，否则，可能出现问题。由此可见，简单的

串联限流电阻是改善速度范围的—种低效的方法。对大功率或较大功率的步进电机而言，常使用高低压或斩波等方式驱动。这些驱动方式虽然电路较复杂，但驱动特性好，且有较高的效率。(2)设置供截止期间释放电流流通的回路，降低绕组两端产生的反电势，加快电流衰减。(3)要求驱动电路的功耗低、效。

为了提高步进电机定位的分辨率，减少过冲和抑制振荡，有时要求驱动电路具有细分功能，将常规的矩形波供电改变成阶梯波供电。

1． 单极性驱动电路

图1是用于三相磁阻式步进电机的一种简单的单极性驱动电路。每相绕组由独立的驱动电路励磁，驱动电路出小功率“相控制信号”控制。这个控制信号经过

基极，控制相绕组的导通或截止。若注入开关管基极的电流足够大，则开关管饱和导通(压降为0.1v左右)，相绕组受到励磁。直流电压几乎全部加在相绕组和与它串联的限流电阻上。

vs＝i(r+r) (1)

式中 r为相绕组电阻；r为限流电阻；vs 为产生额定绕组电流i的直流电源电压。

通常，相绕组的电感很大，因此，它的电气时间常数(电感／电阻)大。相电流上升到额定位的建立过程显得太慢。为了在高速情况下获得令人满意的电机动作，通过增加限流电阻，并同时成比例地增加电源电压，能够减少相电路的电气时间常数，因而电机能在很大的速度范围内工作。

相绕组电感的另—种影响是相电流不能立即切断。如果突然去掉开关晶体管的基极驱动电流，晶体管的集电极和发射极之间将出现一个很大的感应电压，这个电压可能使驱动电路损坏。为了避免这种危险，常为相电流提供另一条电流通路-释放电路。切断开关晶体管时，相电流能够沿着由释放和释放电阻rf提供的通路衰减。如果相电流已达到它的额定值i，则断开晶体管开关后，开关晶体管两瑞立刻出现较大电压(voemax)。忽略释放二极管两端的正向压降，得：

voemax＝vs+rfi (2)

相电流在释放电路里衰减，断开时贮存在相电感里的磁能消耗在释放回路电阻上(绕组电阻+限流电阻+释放电阻)。

设计举例：一台三相磁阻式步进电机，总的相绕组电阻为lω，平均相电感为40mh；额定相电流为2a。试设计一个简单的单极性驱动电路，该电路在相导通时它的电气时间常数为2ms，截止时时间常数为l ms。

由电气时间常数＝电感／电阻，考虑2ms的导通时间常数，总的相电阻＝40／2＝20ω。因为绕组电阻为总的相电阻提供了1ω，所以，限流电阻＝19ω。

这个电阻在该相连续受额定电流(2a)激励时，必须能够散发所产生的能耗。因此， 额定功率=电流)2×(电阻)＝22×19＝76w。

直流电源电压可以利用式(4.1)确定,电源电压＝额定电流这个释放电阻的功率取决于电机的工作速度。截止时刻贮存在

相电感里的能量为：

贮存的能量＝电感×(电流)2/2＝40×4／2mw=0．08w。

贮存的这些能量消耗在相电阻和释放电阻上。在这个例子里，相电阻和释放电阻相等，因此，每当对应的相截止时，贮藏的能量一半消耗在释放电阻上。例如，在每秒600步的情况下，三相中的每一相每秒钟截止200次。消耗在释放电阻上的平均功率为200×0.04w＝8w。高速下的功耗分析比较复杂，因为截止时的相电流本身是工作速度的函数。定相电流已经达到了它的额定值，以此为依据，可得到释放电阻在“较坏情况”下的功耗估计值。

较后，讨论两个半导体器件。当晶体管导通时，释放二极管必须经受得住等于直流电源电压的反向电压；当晶体管刚刚截止时，它必须能通过等于额定相电流的峰值正向电流。开关晶体管必须能承受由式(2)确定的集电极-发射极电压：voemax＝vs+rfi＝40×(20×2)＝80v。

这只晶体管必须能通过相电流(2a)；在饱和的情况下必须有尽可能高的电流增益。

2．（高低）双电压驱动电路

高低压驱动电路里有两种电源电压。接通或截止相电流时使用高电压；继续励磁期间使用低电压，把电流维持在额定值上。

图2是单极性高低压驱动电路中的一相电路。开始激励绕时，两只晶体管tl和t2导通，因此，加在相绕组上的电压等于两个电源电压之和（vl+vh），二极管d2受vh反偏。因没有串联电阻限制电流，因此，它开始迅速上升。经过很短时间，晶体管t2截止，绕组电流沿电源电压vl、二极管d2和晶体管tl流动。

绕组额定电流由电压vl维持，经过选择可使vl／r＝额定电流。相激励结时，晶体管tl也截止。绕组电流沿着经过二极管dl和d2的通路流动。因为释放通路里包含很高的电源电压vh，所以电流迅速衰减。

低压驱动电路比较简单，只要求控制电路正确控制每次励磁开始阶段晶体管t2的导通和关断时刻。因为这个晶体管的导通时间由绕组时间常数决定，为一固定值，所以，可用相励磁信号触发一个固定周期的单稳电路来实现。

在分析驱动电路性能时未考虑由转子运动感应的电压。一旦绕组电流建立了，只有低压电源有效；这个电压也许不足以克服其余励磁时间间隔里内感应产生的电压。这是高低压驱动电路存在的一个缺点。

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