西门子模块6ES7321-1BL00-0AA0详细说明

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直流伺服实际上是一种微型他励直流电动机。和普通直流电动机不同的是，这种直流电动机虽然也是实现电到机的转换，但它更注重的是其控制性能的指标，如快速性、灵敏性、特性线性度以及控制功耗和动静态指标等。直流伺服电动机用在设备中，作为执行元件，接受控制系统发来的运行指令，并将其转化为与之相对应的机械运动量(如转速、角位移、角速度等)。常用在机床装置的坐标进给驱动系统中和一些机械设备的辅助驱动机构中等。目前，直流伺服电动机的输出功率一般在1 w到数百瓦的范围内，少数的可达几个千瓦。转速从每分几百转到上万转不等，多数在2 000。6 000 r／min之间。电压等级有6、9、12、24、27、48、110、220 v等。改变电枢端电压和电枢绕组电阻对机械特性的影响同他励直流电动机一样。

“精度”是用来描述物理量的准确程度，其反应的是测量值与真实值之间的误差，而“分辨率”是用来描述刻度划分的，其反应的是数值读取过程中所能读取的较小变化值。简比喻：一把常见的量程为10厘米的刻度尺，上面有100个刻度，较小能读出1毫米的有效值。那么我们就说这把尺子的分辨率是1毫米，他只能1、2、3、4……100这样读值；而它的实际精度就不得而知了，因为用这把尺读出来的2毫米，我们并不知道他与真实**的2毫米之间的误差值。而当我们用火来烤一下它，并且把它拉长一段，然后再考察一下它。我们不难发现，它还有100个刻度，因而它的“分辨率”还是1毫米，跟原来一样！然而，它的精度显然已经改变了。

对于编码器来说，“分辨率”除了与刻线数有关外，还会因信号方面的影响而改变，它是可调的，可控的，它可以随着对信号的细分而改变，细分倍数越高，分辨率越小，但是细分倍数越高，引入加大的误差就越大。而精度，更多的偏向于机械方面，一个产品生产出来后，他的精度基本已经固定（有些高精度的产品可以对信号进行补偿等来提高精度），这个数值是通过出来的，它与产品的做工，材料等综合性能息息相关，我们难以通过计算来得出一个具体的数值作为精度的依据，大多只能在使用的过程当中判断出精度的好坏来。

例如，对于13bit的，其码盘上的**位置数为：8192，则：计算出的分辨率为158角秒，也就是说，在读取数值的时候，要求数值间的跳动是158角秒，如果要读取的**个数值是0，则第二个读取的数值要大于158，若要小于158，则我们需要选取更小的分辨率。当要读取158这个数值的时候，由于误差的存在，并不可能得到**的158秒，编码器所读取出来的158秒与**真实158秒之间的误差，就取决于精度了。所以说，精度，是在分辨率的基础上来谈的。

而并非越细分得到小的分辨率就越好，因为细分会引入误差和扩大误差，过度的细分将无法保证精度！需要多少倍的细分，能做到多少倍的细分，前提必须是在保证精度的基础上进行的，因为精度在使用前的不可见性而高倍细分是不负责任的。码盘质量越高，刻线越好，信号质量信号越好，细分后产生的误差就越小，这受到一台编码器综合性能的影响，这也就是为什么会在相同的参数下，会有不同品牌，不同价位编码器的一个原因。

例如，我们要读取的数值为1、2、4、7、8，我至少要选择1个单位的分辨率，选择2个单位的分辨率是显然不行的，因为我们读出了1这个数值，则2是读不出来的，在选择1个单位分辨率的基础上，我们读出来的1与真实**的1的误差就是精度。机床上的数控系统对于直光栅是有分辨率的设定的，需要读取的数值间隔小于分辨率，机床就有可能会抖动或出错等。

对于**式带增量信号编码器，能够精确的保持串行传输的**位置值与增量值同步，**值确切的对应一个增量信号，位置值一定在一个增量信号的正弦周期之内。如13位**式，带512线的增量信号，**位置间隔158秒，若要读取两个码盘位置中间的一个位置是不合适的，但是，我们可以通过对其所带的1vpp增量信号进行细分，如细分100倍，则相当于在两个**位置之间又引入了几个细分后的位置，我们可以在**位置值的基础上，通过计算细分后的增量脉冲数而读取两个**位置之间的一个位置值，如：512线细分100倍，**位置1数值是0，**位置2数值是158，则读取这两个位置间的位置可以在位置1：数值0的基础上多出一个脉冲则是25，两个则是25x2=50……但是，带增量信号的**式编码器本身是不带细分的，这就要求用户能自行的对增量信号进行细分处理

一、复合控制技术

1．扰动补偿的不变性原理

控制系统工作时，除有控制输人外，常有扰动作用于系统，为使系统输出精确地复现输人，必须对扰动进行补偿，为此有人曾提出了扰动补偿的“不变性原理”。

2．复合控制伺服系统

在按误差控制的基础上，再引入前馈补偿通道(亦称扰动控制)，即构成复合控制系统，亦称开环一闭环控制系统。

3．模型跟踪控制系统

模型跟踪控制系统看作是复合控制的一种形式

二、非线性补偿技术

仅依赖线性补偿技术，有时难以达到用户对伺服系统品质的要求，因而在伺服系统中采用非戋性补偿技术、多模控制技术日益增多

m—电机相数；

z—转子齿数；

k—系数，相邻两次通电相数相同，k＝1；相邻两次通电相数不同，k＝2。

同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。步距误差主要由步进电机步距制造误差，定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成。

2．静态转矩与矩角特性

当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻较小，转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩m，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ，角度θ称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫矩角特性，如图4-42所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩较大值称为较大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（θ＝0）。

1．传动间隙补偿

提高机床传动元件的齿轮、丝杠制造装配精度并采取传动间隙的措施，只能减少却不能完全传动间隙。

机械传动链在改变运动或旋转方向时，较初若干个指令脉冲只能起到间隙的作用，造成的空走，而工作台无实际移动，从而产生传动误差。

补偿方法：先测出并存储间隙大小，接收反向位移指令时，先不向步进电机输出反向位移脉冲，而将间隙值转换为脉冲数n，驱动步进电机转动，越过传动间隙，然后按照指令脉冲动作。

2. 螺距误差补偿

传动链中滚珠丝杠螺距的制造误差直接影响机床工作台的位移精度。

补偿方法：设置若干个补偿点，在每个补偿点测量并记录工作台位移误差，确定补偿值并作为控制参数输送给数控装置。

设备运行时，工作台每经过一个补偿点，cnc系统就加入补偿量，补偿螺距误差。

3. 细分线路

细分驱动：将步进电机的一个步距角细分为若干步的驱动方法。

交流电机调速种类很多，应用较多的是变频调速。变频调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有率、宽范围和高精度的调速性能，被认为是一种理想的调速方法。

变频调速的主要环节是能为交流电机提供变频的。变频器的功用是，将频率固定（电网频率为50hz）的交流电，变换成频率连续可调（0～400hz）的交流电。变频器可分为交-直-交变频器和交-交变频器两大类。交-直-交变频器是先将频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率可变的交流电。交-交变频器不经过中间环节，把频率固定的交流电直接变换成频率连续可调的交流电。因只需一次电能转换，效，工作可靠，但是频率的变化范围有限。交-直-交变频器，虽需两次电能的变换，但频率变化范围不受限制，目前应用得比较广泛

的细分控制从本质上讲是通过对步进电机的定子绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场按某种要求变化，从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量的之间的夹角大小决定了步距角的大小。在电机内产生接近均匀的圆形旋转磁场，各相绕组的合成磁场矢量，这就需要在各相绕相中通以正弦电流。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。三相混合式步进电机的工作原理十分类似于交流永磁同步。其转子上所用永磁磁铁同样是具有高磁密特性的稀土永磁材料，所以在转子上产生的感应电流对转子磁场的影响可忽略不计。在结构上，它相当于一种多极对数的交流永磁同步电机。由于输入是三相正弦电流，因此产生的空间磁场呈圆形分布，而且可以用永磁式同步电机的结构模型分析三相混合式步进电机的转矩特性。

a.电机定子三相绕组完全对称;

b.磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计;

c.激磁电流无动态响应过程;

以析表明，对于三相永磁同步电机，当三相绕组输入相差 120°的正弦电流时，由于在内部产生圆形旋转磁场，电机的输出转矩为恒值。因此，将交流伺服控制原理应用到三相混合式步进电机驱动系统中，输入的220v 交流，经整流后变为直流，再经脉宽调制技术变为三路阶梯式正弦波形电流，它们按固定时序分别流过三路绕组，通过改变驱动器输出正弦电流的频率来改变电机转速，输出的阶梯数确定了每步转过的角度，当角度越小的时候，其阶梯数就越多。当然，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。

三相混合式步进电机一般把三相绕组连接成星形或者三角形，按照电路基本定理，三相电流之和为零。即iu+iv+iw =0 。所以通常只需产生两相绕组的给定信号，第三相绕组的给定信号可由其它两相求得。同样，只需要对相应两相绕组的实际电流进行采样，第三相绕组的实际电流可根据式求得。

增量式编码器的问题：

1）增量型编码器存在零点累计误差，抗干扰较差，接收设备的停机需断电记忆，开机应找零或参考位等问题，这些问题如选用**型编码器可以解决。

2）测量速度有等时间法，和等脉冲数法。

等时间法，选定一个单位时间,（如100ms）,在单位时间里累计读取的脉冲数时间平均，既是此时间段的平均速度。

等脉冲数，选定一定数量的脉冲数（如100脉冲），在累计读到这些脉冲数的时间，作时间平均，既是此时间的平均速度。

一般工业中多用等时法。

1、从增量式编码器到**值式编码器

增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来计算其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备计算并记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产出现后才能知道。

解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。

这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是就有了**编码器的出现。

2、**值式光电编码器

工作原理：

圆形码盘上沿径向有若干同心码道，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数。

**值编码器为每一个轴的位置提供一个*一**的编码数字值。

当掉电时，**型编码器的位置不会丢失 。

1）**值编码器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 n位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有n条码道。

2）它有一个**零位代码，当停电或关机后，再开机重新测量时，仍可准确地读出停电或关机位置的代码，并准确地找到零位代码。

3）**式编码器轴旋转时，有与位置对应的代码（二进制、bcd码等）输出。从代码大、小的变更，即可判别正反方向和位移所处的位置，而*判向电路。

4）格雷码每次只变化一位。

5）旋转编码器的格雷码也是循环码，其较高位与较低位同样遵循只变化一位的规律。

3、单圈**式编码器

发热是的一个普遍现象，但怎样的发热程度才算正常，以及如何尽量减小步进电机发热呢？以下是简单的分析。

1、步进电机发热的原因

1.步进电机为什么会发热对于各种步进电机而言，内部都是由铁芯和绕组线圈组成的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料、电流、频率、电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热比一般交流电机严重。

2.步进电机发热的合理范围电机发热允许到什么程度，主要取决于电机内部绝缘等级。内部绝缘性能在高温下(130度只要内部不超过130度，电机便不会损坏，而表面温度会在90度以下。，步进电机表面温度在70-80度都是正常的。简单的温度测量方法有用点温计的，也可以粗略判断：用手可以触摸1-2秒以上，不超过60度，用手只能碰一下，大约是70-80度，滴几滴水迅速气化，则90度以上了。

3.步进电机发热随速度变化的恒定，以保持恒力矩输出。速度高到程度，电机内部反电势升高，电流将逐步下降，力矩也会下降。，因铜损带来的发热相关了。静态和低速时却不尽然，而电机整个的发热是二者之和，上述只是一般情况了。

2、电机的发热现象的危害性

发热带来的影响电机发热虽然没必要理会。但是，严重的发热会带一些负面影响。如电机内部各部分热膨胀系数不同导致结构应力的变化和内部气隙的微小变化，会影响电机的动态响应，高速会容易失步。又如有些场合不允许电机的过度发热，如医疗器械和高精度的测试设备等。

3、步进电机的发热问题的解决方法

1.减少电机的发热减少发热， 就是减少铜损和铁损，减少铜损有两个方向，减少电阻和电流，这就要求在选型时，尽量选择电阻小和额定电流小的电机，对两相电机，能用串联电机的就不用并联电机，但是这往往与力矩和高速的要求相抵触。

2.对于已经选定的电机，则应充分驱动器的自动半流控制功能和脱机功能，前者在电机处于静态时自动减少电流，后者干脆将电流切断。

3.另外，细分驱动器电流波形接近正弦，谐波少，电机发热也会较少。减少铁损的办法不多，电压等级与之有关，高压驱动的电机虽然会带来高速特性的提升，但也带来发热的增加。

4.应当选择合适的驱动电压等级，兼顾高带性、平稳性和发热、噪音等指标。

3d打印机原理是这样的，它其实是以一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。由于在3d打印机原理中把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。3d打印机原理看着很简单，现在虽然有一些产品能直接打印出来，但要打印出精密产品还有很长的路要走。

主要功能满足3d打印z轴移动，采用螺杆螺母传动实现直线运动。该电机相比优点如下：

1、无间隙，传动精度高：电机增设消隙螺母结构，转子丝杆轴与电机本体无轴向间隙;螺母可采用两种不同材料满足不同客户要求，黄铜间隙0.1mm，可满足一般用途3d打印要求，特殊树脂材料无间隙可满足高精度3d打印要求;

2、高寿命：现常用直线螺母材料为黄铜或聚甲醛，长时间工作易磨损，影响传动精度

的运行性能与它的步进驱动器有密切的联系，可以通过驱动技术的改进来克服步进电机的缺点。相对于其他的驱动方式，细分驱动方式不仅可以减小步进电机的步距角，提高分辨率，而且可以减少或低频振动，使电机运行更加平稳均匀。

总体来说，细分驱动的控制效果较好。因为常用低端步进电机伺服系统没有编码器反馈，所以随着电机速度的升高其内部控制电流相应减小，从而造成丢步现象。所以在速度和精度要求不高的领域，其应用非常广泛。

细分驱动精度高.细分是驱动器将上级装置发出的每个脉冲按驱动器设定的细分系数分成系数个脉冲输出.比喻步进电机每转一圈为200个脉冲,

如果两相直流步进驱动器细分为32,那么步进电机驱动器需要输出6400个脉冲步进电机才转一圈.

通常细分有2,4,8,16,32,62,128,256,512....

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，如电机的额定相电流为3a，如果使用常规驱动器(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，所以对步进电机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，望广大用户一定要分清两者的本质不同：

1.“平滑”并不精确控制电机的相电流，只是把电流的变化率变缓一些，所以“平滑”并不产生微步，而细分的微步是可以用来精确定位的。

2.电机的相电流被平滑后，会引起电机力矩的下降，而细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加

步进分为机电式及磁电式两种基本类型。其中控制中常用的是磁电式步进电动机。其主要有永磁式、反应式和永磁感应子式3种形式。

1.永磁式步进电动机由四相绕组组成。a相绕组通电时，转子磁钢将转向该相绕组所确定的磁场方向；a相断电、b相绕组通电时，就产生一个新的磁场方向，这时，转子就转动一角度而位于新的磁场方向上，被激励相的顺序决定了转子运动方向。永磁式步进电动机消耗功率较小，步矩角较大。缺点是起动频率和运行频率较低。

2.反应式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽，利用这两种齿槽相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生转矩。这种步进电动机步矩角可做到1°～15°，甚至更小，精度容易保证，起动和运行频率较高，但功耗较大，效率较低。

3.永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动机，是永磁式步进电动机和反应式步进电动机两者的结合，并兼有两者的优点。