西门子模块6ES7341-1CH02-0AE0详细说明

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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86BYG250A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。

 引言
      本机是将兔毛原料未经改性处理，直接进行开松、梳理，制成一定支数的毛条，具备抱合力大和加有真捻等特点，并由纺纱机(FNT-28型兔毛纺纱机，**号:9424N73-4)纺制成各种规格支数的细纱。本机是国家发明**产品(**号:93106597-6)，"八五"国家星火项目，同时又被国家科委列为"九五" 。

      本机电气部分采用继电器控制系统，动力驱动由三相异步电动机来完成。该控制系统有三点不足:
      (1) 继电器线路接线复杂，功能单一。
继电器接触控制系统的逻辑部分由许多继电器;按某一固定形式连接而成，若工艺流程发生改变，则需要改变继电器控制系统的接线，才能满足新的工艺流程要求。工人实际操作和维修复杂，易出故障;
      (2) 可靠性不高，控制精度不够，这就势必影响了出条支数、出条定重;

(3) 继电器控制柜的体积大，占用了较大的生产空间，影响了工人的操作。

      因此有必要对本机的控制系统进行改造。近年来，随着科学技术的飞速发展，步进、伺服电机的应用越来越广泛，其功能多样性和产品可靠性日臻完善，正在逐步取代原来的普通电机。而且随着可编程控制器技术的日益成熟，将二者完整地结合起来，完成对各种复杂运动的自动控制，实行机电一体化，正在成为一种趋势。

      2 控制方案的确定
      由于步进电机可直接用数字信号控制，*反馈可开环工作，无累积定位误差，控制精度高，因此被广泛用于数字控制系统和计算机控制系统。而可编程序控制器(PLC)是一种适于工业现场控制的，由单片计算机(CPU)、外围大规模集成电路(LSI)、系统软件及I/0接口等构成的新型控制器，用户通过软件设计，可实现以往难以实现的各种复杂逻辑控制。与通用PC机或单片机构成的系统相比，PLC具有可靠、抗扰能力强、编程简单等优点，已成为替代传统继电接触器控制线路的升级换代产品。因此，本系统采用可编程控制器(PLC) 为控制核心，步进电动机为执行元件、红外光电传感器为检测元件的新型系统，实现了兔毛梳理机的计算机数字控制。

      3 控制系统的实现

      3.1 系统组成
      PLC选用日本松下FP0
      PLC，共8点输入(X0~X7),8点输出(Y0~Y7)，主要控制主电机Motor1和毛斗步进电机Motor2的工作状态和转速;步进电机选用两相混合步进电动机，步距角1.8°/STEP，用于驱动主机和毛斗;步进电机驱动器选用DMD402，电源电压DC14V~40V，其作用是根据PLC的控制指令对电机实现脉冲和方向控制。
      3.2 系统工作原理
      FP0系列PLC除具有一般逻辑控制与运算功能外，还具有高速计数输入(较大10kHz)、PLS脉冲直接输出、SPD位置控制、PWM脉冲输出等特殊处理功能，用于步进电机的速度控制或位置按制十分方便。
      PLC输出口Y0、Y1以脉冲速率方式输入步进电机驱动器的Pulse
bbbbb端，控制梳理机主电机和毛斗电机转速和位移。PLC输出口Y2、Y3以方向信号输入到驱动器Directional
bbbbb端，控制梳理机电机的转向。输出点Y4、Y5是步进电机复位信号RST，每次开机对步进电机驱动器清零。PLC输入点X0以梳理机喂入量斗处的红外传感器作为输入信号，可调节喂入量斗的喂毛量。X1、X2作为步进电机的启动信号，X3作为步进电机复位信号。X4以为位置传感器作为输入信号，检测梳理机是否复位。可以利用当需要手动操作时，可通过PLC的手动输入信号X5、X6，以点动方式按制电机的正转或反转。控制关系为:X5=ON，电机正转;X6=ON，电机反转。

      4 控制系统软件设计
      利用FP0 PLC提供的高速脉冲处理指令、逻辑控制指令、算数运算指令及一些特殊功能指令，可较方便的实现对步进电机的升/降速、恒速及正/反转的运行控制，尤其用PLS-脉冲输出指令和SPD-位置控制指令，可使步进电机达到不失步的升/降速与恒速运行。

      5 结束语
      以PLC和步进电机为主构成的数字式兔毛梳理机控制系统的研制成功，为兔毛梳理机在生产与应用环节的工艺参数的调整，提供了**。采用本控制系统的兔毛梳理机各项指标:适纺原料范围:兔毛(高比例);条干重量不匀率:1.5％;生条可纺支数:8～60公支;脱毛量:1～mg/100cm2;兔毛制成率≥95％;出条定重:0.125～1g/m;台时产量:0.3～2kg/h。此外，系统具有控制精度高、操作简单、运行平稳、无噪音等优点。

1 引 言

    PLC（Programmable Logic Controller）是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器。它的高可靠性，简单直观的编程方式，及越来越完善的功能使得它在工业控制领域中得到了广泛应用。其中，在很多自动控制系统中都是由PLC来控制步进电机，当PLC发送脉冲信号和方向信号时，步进电机的驱动器通过PLC的脉冲输出口接收脉冲信号和方向信号来控制步进电机工作，一个脉冲信号可以使步进电机旋转一个固定角度，那么脉冲数和频率之间一定存在某种关系，步进电机的频率曲线直观的反映了这种关系。在自动配药系统的开发与研制中通过PLC控制步进电机的脉冲数，保证了取药小车能准确到达取位置取药的目的。如果脉冲数和频率设置不当，取药小车不仅运行速度慢，还可能出现抖动、噪音大、加快机器磨损等不良因素，从而影响了整个系统的工作效率，因此对步进电机的频率曲线进行优化是很有必要的。

2 可编程控制器（PLC）基本结构及工作原理

    PLC从结构为固定式和组合式（模块式）。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等；模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，各模块可以按照一定规则组合配置。CPU是PLC的控制**，由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成。输入模块通过接收和采集信号输入至CPU 处理；输出模块接收由CPU成功处理的信息并控制接触器、数字显示装置等输出设备。此外，PLC的编程装置用来生成用户程序，常用的手持式编程器用来给小型PLC编程，一般由计算机（运行编程软件）充当。国际电工**（IEC）于1994年公布了PLC的编程语言标准（IEC113123），该标准定义了5种PLC编程语言：梯形图LAD（Ladder Diagram）、语句表STL（Inst ruction List）、功能块图FBD（Function Block Diagram）、结构文本ST（St ructured Text）、顺序功能图SFC（Sequential Function Chart）。使用编程软件可在屏幕上直接生成和编辑梯形图、顺序功能图等程序，并可实现不同的编程语言的相互转换，程序被编译后下载到PLC的存储器中。PLC采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作，CPU根据存储器中的用户程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，在没有中断或跳转指令的情况下，CPU开始按顺序逐条执行程序，进行各信号之间的逻辑运算，最后将写入输出过程映像寄存器，信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，从而使外部负载通电工作。

3 步进电机及其频率曲线

    步进电机广泛应用于自动化控制领域，其驱动电源的输出受外部脉冲信号和方向信号控制。步进电机的功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即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，通过变化脉冲发生器的频率实现调速。许多工业控制中要求机床、机械手等设备具有上下、前后、左右等各方向上的运动，而方向信号则决定了旋转的方向。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。

    设置好步进电机的脉冲数及其频率参数可以提高整个控制系统的工作效率。其脉冲数和频率参数具有如图1所示的关系。

    步进电机位移与输入脉冲信号数相对应，精度高、响应特性好、可靠性高、速度可在较宽范围内平滑调节，是控制系统中一种重要的自动化执行元件。

    SCM(Single Chip Microcomputer，单片机)是把组成微型计算机的*处理器、存储器、输入输出接口电路、定时器／计数器等制作在一块集成电路芯片中，它具有小巧、低功耗、指令系统丰富等优点，成为工业控制的主角。

    PLC(Programmable Logic Controller，可编程序逻辑控制器)是以微型计算机为核心的一种工控机。其控制方案能事先进行模拟调试，自身设计采用了冗余措施和容错技术。由于PLC通用性强，编程操作方便，扩展灵活，可靠性高，应用几乎覆盖各个工业领域。

    步进电机的电脉冲信号若由SCM产生，就构成以SCM为核心的控制系统。若电脉冲信号由PLC产生，就构成以PLC为核心的控制系统。

1 步进电机驱动方式

    反应式步进电机频率响应快、可双向旋转、定位准确、起停速度快，因而使用多，具有代表性。三相反应式步进电机定子有6个等间隔的磁较，线圈绕过相互正对的两个磁较构成一相，共有A—A、B—B和C—C三相。根据步进电机的工作原理，若按顺序给步进电机的绕组施加有序的脉冲电流即可控制步进电机的转动，从而进行数字到角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动的方向则与脉冲的顺序有关。

    从一相通电转到另一相通电称为一拍，对三相反应式步进电机来说，若按A→B→C→A顺序通电，则称为单相三拍运行方式。若按A→AB→B→BC→C→C→A→A顺序通电，则称为三相六拍运行方式。若按AB→BC→CA→AB顺序通电，则称为双相三拍运行方式。一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机，必须要有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。驱动电路不仅应该包含由功率开关器件构成的驱动主电路，还应包含一个逻辑单元，在输入脉冲序列的作用下输出定子绕组通电状态，控制主电路功率开关器件的导通与关断。典型的驱动电路主要有全电压，恒流斩渡，升频升压等形式。

2 基于SCM的步进电机控制方法

    2.1 控制原理

    SCM的P1口作为输出口，P1.0，P1.1，P1.2分别输出控制脉冲，通过7406驱动脉冲功率放大级的达林顿复合管，再分别控制三相步进电机的A、B、C三相。根据P1口输出控制信号的状态，即可实现对步进电机的正反转控制。

    表1列出了步进电机工作在三相六拍时的控制字。从中可以看出，步进电机**个控制字数据为01H，从上到下输出控制字时，电机正转，自下而上输出控制字数据时，电机反转。步进电机运行一拍的时间决定了步进电机的转速。在输出一个控制字后加入一定的延时时间，即可控制步进电机的转速。

  步进电机位移与输入脉冲信号数相对应，精度高、响应特性好、可靠性高、速度可在较宽范围内平滑调节，是控制系统中一种重要的自动化执行元件。

    SCM(Single Chip Microcomputer，单片机)是把组成微型计算机的*处理器、存储器、输入输出接口电路、定时器／计数器等制作在一块集成电路芯片中，它具有小巧、低功耗、指令系统丰富等优点，成为工业控制的主角。

    PLC(Programmable Logic Controller，可编程序逻辑控制器)是以微型计算机为核心的一种工控机。其控制方案能事先进行模拟调试，自身设计采用了冗余措施和容错技术。由于PLC通用性强，编程操作方便，扩展灵活，可靠性高，应用几乎覆盖各个工业领域。

    步进电机的电脉冲信号若由SCM产生，就构成以SCM为核心的控制系统。若电脉冲信号由PLC产生，就构成以PLC为核心的控制系统。

1 步进电机驱动方式

    反应式步进电机频率响应快、可双向旋转、定位准确、起停速度快，因而使用多，具有代表性。三相反应式步进电机定子有6个等间隔的磁较，线圈绕过相互正对的两个磁较构成一相，共有A—A、B—B和C—C三相。根据步进电机的工作原理，若按顺序给步进电机的绕组施加有序的脉冲电流即可控制步进电机的转动，从而进行数字到角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动的方向则与脉冲的顺序有关。

    从一相通电转到另一相通电称为一拍，对三相反应式步进电机来说，若按A→B→C→A顺序通电，则称为单相三拍运行方式。若按A→AB→B→BC→C→C→A→A顺序通电，则称为三相六拍运行方式。若按AB→BC→CA→AB顺序通电，则称为双相三拍运行方式。一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机，必须要有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。驱动电路不仅应该包含由功率开关器件构成的驱动主电路，还应包含一个逻辑单元，在输入脉冲序列的作用下输出定子绕组通电状态，控制主电路功率开关器件的导通与关断。典型的驱动电路主要有全电压，恒流斩渡，升频升压等形式。

2 基于SCM的步进电机控制方法

    2.1 控制原理

    SCM的P1口作为输出口，P1.0，P1.1，P1.2分别输出控制脉冲，通过7406驱动脉冲功率放大级的达林顿复合管，再分别控制三相步进电机的A、B、C三相。根据P1口输出控制信号的状态，即可实现对步进电机的正反转控制。

    表1列出了步进电机工作在三相六拍时的控制字。从中可以看出，步进电机**个控制字数据为01H，从上到下输出控制字时，电机正转，自下而上输出控制字数据时，电机反转。步进电机运行一拍的时间决定了步进电机的转速。在输出一个控制字后加入一定的延时时间，即可控制步进电机的转速。