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西门子PLC控制步进电机的设计
步进电机发展
步进电机现状
自问世以来，步进电机很快确定了在开环高分辨率的定位系统中的主导地位。在工业技术高速发展的今天，还未有适合的取代产品出现。虽然步进电机已被广泛应用，但并不能像普通的直流电动机、交流电动机那样在常规电气控制中使用。它须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统，涉及很多机械与电气控制方面知识。 我国生产步进电机的厂家不少，但能自行开发研究的厂家却较少，大部分厂家规模比较小。我国步进电机产品发展有自己的特点：20世纪80年代以前是以磁阻式步进电机为主，20世纪80年代后期开始发展混合式步进电机。产品从相数上分有二相、三相、四相、五相，从步距上分有/
、/，从规格上分有，从静力矩上分有0.140N.m。 从大功率驱动设备市场上，大扭矩步进电机没有市场，无论是在经济上、噪声、加速度、系统惯量、最大扭矩等方面，都不如采用伺服电动机或是直流电动机加编码器好。步进电机主要是应用在小功率场合。总的来说，步进电机是一种简单的开环控制，不适合在大功率场合使用。具体的应用场合如下： (1) 经济型数控机床，如数控雕刻机、数控磨床，数控铣镋床等。 (2) 工业生产装备，如连续式、间歇式包装机，机械手等。 (3) 工业器材方面，如拿放装置、性能测试装备等。 (4) 小型自动化办公设备，如启动打标机、贴标机、割字机、激光打标记绘图仪等。
步进电机发展趋势 步进电机今后继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。
除了传统的旋转步进电机，线性步进电机近些年来发展也很快，它减少了零部件，几乎没有磨损或维修，并且易于结合机器使用，非常适合在轻负载的情况下使用。
步进电机控制原理
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在计算机控制系统中，步进电机是一种非常重要的自动化执行元件，它能将电脉冲转化为电动机轴的角位移。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”),当步进驱动器一个一个地接收到若干个脉冲时，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。因此，可以通过控制进给脉冲的个数来控制电动机的角位移量,从而达到准确定位的目的
步进电机基本工作原理
步进电机的定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的。定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C三相。 图4_1步进电机线圈绕组 在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿，采用适当的齿数配合,当A相磁极的小齿与转子小齿一一对应时，B相磁极的小齿与转子小齿相互错开1/3齿距，C相则错开2/3齿距。如图所示 图4_2电机齿轮 上图中，A相绕组与齿1、5一一对应，而此时B相绕组与齿2错开1/3齿距，而与齿3错开2/3齿距，C相绕组与齿3错开2/3齿距，而与齿4错开1/3齿距。电机的位置和速度由绕组通电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由绕组通电的顺序决定。 步进电机一些基本参数 (1)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57BYG46403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。 (2)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。
(3)保持转矩（HOLDINGTORQUE）
是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一,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
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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最重要的参数之一。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。
（4）启动频率（fq0）
空载时，步进电动机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率，用fq表示。若启动时频率大于突跳频率，步进电动机就不能正常启动。Fq与负载惯量有关，一般说来随着负载惯量的增长而下降。空载起动时，步进电动机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。 步进电机细分驱动技术 步进电机的运行需要各相电流满足一定的时序要求,而电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关,如果绕组中电流不再是方波,而是一个分成个台阶的近似阶梯波,电机每运行一个阶梯即转动一步。当转动小步时,实际上相当于转过一个步距角,这就是所谓的细分。以二相步进电机为例式（1）、式（2）为A、B相电流公式,式(3)、式(4)则为分别的力矩。 这里K0是转矩的常量,矢量合成式（3）、式（4）得到 可见,细分前后合成力矩并没有变化,但是电机运行的平稳性却增加了。图1-3的上半部分为整步运行下的A、B两相的电流图。可以看出1、2、3、4点的合成力矩相等,但是连续性不好,尤其在低频运行时会有明显的振动。而经过细分的则不同,如图下半部分所示,将整步的一拍分成了四步来完成,即四细分。每一微步的电流合成大小都一样,这样使得每一步过渡更加平稳,有效抑制了振动,并减少了失步。 图4_3步进电机细分技术 由此可见，细分驱动能极大地改善步进电机运行的平稳性,近几年来由于微处理机技术的发展,细分技术得到了广泛应用。 高速脉冲产生与高速计数功能 西门子S7-300PLC中的CPU312C、CPU313C、CPU313-2DP等型号，集成有用于高速计数以及高频脉冲输出的通道，可用于高速计数或高频脉冲输出。
该类型PLC有3个用于高速计数或高频脉冲输出的特殊通道，3个通道位于CPU313C集成数字量输出点首位字节的最低三位，这三位通常情况下可以作为普通的数字量输出点来使用。再需要高频脉冲输出时，可通过硬件设置定义这三位的属性，将其作为高频脉冲输出通道来使用。 4.3.1设置硬件通道
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为普通数字量输出点使用时，其系统默认地址为Q124.0、Q124.1、Q124.2（可自行修改），作为高速脉冲输出时，对应的通道分别为0通道、1通道、2通道（通道号为固定值，不能自行修改）。每一通道都可输出最高频率为2.5KHZ（周期为0.4ms）的高频脉冲。
步骤1：双击“Hardware”,进入硬件组态界面
图4_4硬件组态界面
步骤2：双击“Count”,打开通道设置对话框
图4_5通道设置对话框
步骤3：选择“Channel_1“Operating”选择为“pulse–widthmodulation” 图4_6选择产生脉冲 步骤4：选择产生脉冲的周期、延迟产生的参数等。 图4_7设置脉冲参数 单击“OK完成配置。下面对高速计数通道进行配置，和前面一样的内容不进一步介绍，下面主要对不同的设置做出说明。具体过程如下： 步骤1：选择通道0，选择连续计数功能。 图4_8高速计数选
择界面
步骤2：打开计数选项卡
图4_9计数参数设置
单击“OK”完成设置。
这样，硬件的配置就完成了。但是，除了硬件的配置外，还要进行软件的研究，下面就会对西门子S7-300PLC的脉冲产生与计数进行分析。
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系统功能块SFB49
选中项目下最后一级子菜单Blocks，并双击Blocks中的OB1进入程序编辑器，在OB1中，调用SFB49。过程如下：在指令集工具中，找到library（库）->standardlibrary（标准库）->systemFunctionBlocks（系统功能块）菜单，并双击该菜单下的系统功能块SFB49进行调用
图4_10系统功能块SFB49
部分参数含义： 参数符号 CHANNEL SW_EN OUTP_VAL 系统功能块SFB47 选中项目下最后一级子菜单Blocks，并双击Blocks中的OB1进入程序编辑器，在OB1中，调用SFB47。过程如下：在指令集工具中，找到library（库）->standardlibrary（标准库）->systemFunctionBlocks（系统功能块）菜单，并双击该菜单下的系统功能块SFB47进行调用
图4_11系统功能块SFB47 部分参数含义： 参数符号 CHANNEL SW_GATE JOB_REQ JOB_ID JOB_VAL COUNTVAL 地址/类型 DBW2/INT DBX4.0/BOOL DBX4.3/BOOL DBW6/WORD DBD8/DINT DBD14/DINT 含义 通道号 高速计数软件控制门 写请求 计数值 其它 地址/类型 DBW2/INT DBX4.0/BOOL DBW6/INT 含义 通道号 软件控制门 脉冲占空比设置 其它 两通道均采用软件门控制，这样可以较为容易利用软件实现。
步进电机控制方案设计
使用PLC控制步进电机时，可使用PLC产生控制步进电机所需要的各种时序的脉冲。 控制工艺提出
根据波峰焊接机构对助焊剂泵运动的要求，提出以下的控制工艺，主要是要能根据PCB板确定泵移动的范围，不能有累积误差，因此用步进电机可以很好的实现这种控制要求。
图4_12步进电机控制工艺
西门子PLC控制步进电机的设计
