步进电机控制及高速脉冲指令

多段管（流水）线是指在变量存储区V建立一个包络表
（包络表Profile是一个预先定义的横坐标为位置、纵坐标为速度的曲 线，是运动的图形描述）。包络表存放每个脉冲串的参数，执行PLS指 令时，S7–200 PLC自动按包络表中的顺序及参数进行脉冲串输出。包 络表中每段脉冲串的参数占用8个字节，由一个16位周期值（2字节）、 一个16位周期增量值Δ（2字节）和一个32位脉冲计数值（4字节）组 成。
0 ：不刷新； 1 ：刷新 0 ：不刷新； 1：刷新 0 ：不刷新； 1：刷新 0 ：1 µs； 1：1ms PTO/PWM输出控制寄存器
0 ：异步更新； 1：同步更新 0 ：单段操作； 1：多段操作 0 ：选择PTO 1：选择PWM 0：禁止； 1 ：允许
PTO/PWM模式选择 PTO/PWM允许
步进电机工作原理
三相单三拍。得电相序为A-B-C-A 步进电机逆时针旋转
三相单三拍。得电相序为A-C-B-A 步进电机顺时针旋转

电机的运行方向与通电的相序有关，改变 通电的相序，电机的运行方向会改变。
步进电机工作原理

上面所述的这种通电方式称为三相三拍。还有一种三相六拍的通电方 式，它的通电顺序是：顺时针为A → AB → B → BC → C → CA → A … ；逆时针为A → AC → C→ CB → B → BA →A…。

一脉冲后，如给另一相激磁且保持原来相继处在激磁状态， 则电机转轴将移动半个步距角，停在相邻两个整步位置的 中间。如此循环地对两相线圈进行单相然后双相激磁步进 电机将以每个脉冲0.90度的半步方式转动。所有 Leadshine公司的整/半步驱动器都可以执行整步和半步驱 动，由驱动器拨码开关的拨位进行选择。和整步方式相比， 半步方式具有精度高一倍和低速运行时振动较小的优点， 所以实际使用整/半步驱动器时一般选用半步模式。
在整步运行中，同一种步进电机既可配整/半步驱动器也可配细分驱 动器，但运行效果不同。步进驱动器按脉冲/方向指令对两相步进电 机的两个线圈循环激磁（即将线圈充电设定电流），这种驱动方式的 每个脉冲将使电机移动一个基本步距角，即1.80 度(标准两相电机的 一圈共有200个步距角)。

半步驱动
在单相激磁时，电机转轴停至整步位置上，驱动器收到下
Q0.0
SM66.4 SM66.5 SM66.6 SM66.7 SM67.0 SM67.1 SM67.2 SM67.3 SM67.4 SM67.5 SM67.6 SM67.7 SMW68 SMW70 SMD72 SMB166 SMW168
Q0.1
SM76.4 SM76.5 SM76.6 SM76.7 SM77.0 SM77.1 SM77.2 SM77.3 SM77.4 SM77.5 SM77.6 SM77.7 SMW78 SMW80 SMD82 SMB176 SMW178
按输出力矩大 小
按定子数 按各相绕组分 布
步进电机的结构

目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。 在反应式步进电机中，有轴向分相和径向分相两种 轴向分相：各相绕组按轴向依次排列。 径向分相：各相绕组按圆周依次排列。
轴 向 分 布
步进电机工作原理
步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。 当某相定子励磁后：它吸引转子，转子的齿与该相定子磁 极上的齿对齐，转子转动一个角度，换一相得电时，转子 又转过一个角度，如此每相不停地轮流通电，转子不停地 转动。 步进电机绕组的通断电状态每改变一次，其转子转过的角 度α称为步距角。
步进电机的种类
分 类 方 式 按力矩产生的 原理 具 体 类 型 （1）反应式：转子无绕组，由被激磁的定子绕组产生反应 力矩实现步进运行 （2）激磁式：定、转子均有激磁绕组（或转子用永久磁 钢），由电磁力矩实现步进运行 （1）伺服式：输出力矩在百分之几之几至十分之几（N· m） 只能驱动较小的负载，要与液压扭矩放大器配用，才能驱动 机床工作台等较大的负载 （2）功率式：输出力矩在5-50 N· m以上，可以直接驱动机 床工作台等较大的负载 （1）单定子式（2）双定子式（3）三定子式（4）多定子式 （1）径向分布式：电机各相按圆周依次排列 （2）轴向分布式：电机各相按轴向依次排列
PTO/PWM周期时间值（范围：2至 65 535） PWM脉冲宽度值（范围：0至65 535） PTO脉冲计数值（范围：1至4 294 967 295） 段号（仅用于多段PTO操作），多段流水线PTO运行中的段的编 号
周期值设定寄存器 脉宽值设定寄存器 脉冲计数值设定寄存器 多段PTO操作寄存器
包络表起始位置，用距离V0的字节偏移量表示（仅用于多段PTO 操作）
在没有设置细分时步距角是1.8°，即 200个脉冲/转。设置成4细分后，则是 800脉冲/转。相当一个导程需要800个 脉冲。
高速脉冲输出
高速脉冲输出有脉冲串输出PTO和脉宽调制输出PWM 两种形式。 每个CPU有两个PTO/PWM发生器，一个发生器分配给
输出端Q0.0，另一个分配给Q0.1。当Q0.0或Q0.1设定
步进驱动器

环型分配器的功能： 主要是把外部CP端送 入的脉冲进行分配， 给功率放大器，功率 放大器相应的晶体管 导通，步进电机的线 圈得电。
步进电机、步进驱动器和PLC之间的连接
步进驱动器工作模式


有三种基本的步进电机驱动模式：整步、半步、 细分。其主要区别在于电机线圈电流的控制精度 （即激磁方式）。 整步驱动
3． PTO/PWM寄存器
Q0.0和Q0.1输出端子的高速输出功能通过对PTO/PWM寄存器的不同设置来 实现。PTO/PWM寄存器由SM66~SM85特殊存储器组成，它们的作用是监视和控制脉 冲输出（PTO）和脉宽调制（PWM）功能。各寄存器的字节值和位值的意义如表。
PTO/PWM寄存器各字节值和位值的意义

式中m相m拍时，k=1；m相2m拍时，k=2；依此类推。
步进驱动器原理

从步进电机的转动原理可以看出，要使步进电机
正常运行，必须按规律控制步进电机的每一相绕
组得电。步进驱动器接收外部的信号是方向信号
（DIR）和脉冲信号（CP）。另外步进电机在停止 时，通常有一相得电，电机的转子被锁住，所以 当需要转子松开时，可以使用脱机信号（FREE）.
为PTO或PWM功能时，其他操作均失效。不使用PTO/PWM 发生器时，Q0.0或Q0.1作为普通输出端子使用。通常
在启动PTO或PWM操作之前，用复位R指令将Q0.0或Q0.1
清0。
脉冲串输出（PTO）
PTO功能可输出一定脉冲个数和占空比为50%的方 波脉冲。 输出脉冲的个数在1-4 294 967 295范围内可调； 输出脉冲的周期以µs或ms为增量单位，变化范围分别 是10～65 535µs或2～65 535ms。 如果周期小于两个时间单位，周期被默认为两个 时间单位。如果指定的脉冲数为0，则脉冲数默认为1。 PTO功能允许多个脉冲串排队输出，从而形成流水 线。流水线分为两种：单段流水线和多段流水线。

步进驱动器有关细分的设置


什么叫细分？ 为了提高步进电机控制的精度，现在的步 进驱动器都有细分功能，所谓细分就是通 过驱动器中电路的方法把把步距角减小。 例如把步进驱动器设置成5细分，假设原来 步距角为1.8°，那么设置成5细分后，步 距角就是0.36°。即原来一步可以走完的， 设置成细分后需要走5步。
脉冲串输出（PTO）
单段管（流水）线是指流水线中每次只能存储一个脉冲
串的控制参数，初始PTO段一旦起动，必须按照对第二个波形的要求立 即刷新特殊存储器，并再次执行PLS指令，在第一个脉冲串完成后，第 二个脉冲串输出立即开始，重复这一步骤可以实现 多个脉冲串的输出。 单段流水线中的各段脉冲串可以采用不同的时间基准，但有可能造成脉 冲串之间的不平稳过渡。输出多段高速脉冲时，编程复杂。
高速脉冲输出指令
1．指令格式及功能
PLS EN Q0.X
功能： 当使能端输入有效时， PLC首先检测为脉冲输 出位（X）设置的特殊存储器位，然后激活由特 殊存储器位定义的脉冲操作
VBn
VBn+1 VBn+3 VBn+5 VBn+9
VBn+11
VBn+13 VBn+17 VBn+19 VB
段2
每个脉冲的周期增量Δ （符号整数：-32 768至32 767 个时基单位） 脉冲数（1至4 294 967 295） 初始周期（2至65 535个时基单位）
段3
每个脉冲的周期增量值Δ （符号整数：-32 768至32 767个时基单位） 脉冲数（1至4 294 967 295）

若以三相六拍通电方式工作，当A相通电转为A和B同时通电时，转子 的磁极将同时受到A相绕组产生的磁场和B相绕组产生的磁场的共同吸 引，转子的磁极只好停在A和B两相磁极之间，这时它的步距角α等于 30°。当由A和B两相同时通电转为B相通电时，转子磁极再沿顺时针 旋转30°，与B相磁极对齐。其余依此类推。采用三相六拍通电方式， 可使步距角α缩小一半。
段周期增量=|段终止周期-段初始周期|/脉冲数量
多段流水线的包络表
从包络表起始地 址的字节偏移 段 说 明 总段数（1～255）；数值0产生非致命错误，无PTO输出 初始周期（2至65 535个时基单位） 段1 每个脉冲的周期增量Δ （符号整数：-32 768至32 767 个时基单位） 脉冲数（1至4 294 967 295） 初始周期（2至65535个时基单位）
说
明
寄存器名
PTO包络由于增量计算错误异常终止 0：无错1：异常终止 PTO包络由于用户命令异常终止 PTO流水线溢出 PTO空闲 0：无错；1：异常终止 脉冲串输出状态寄存器
0：无溢出；1：溢出 0：运行中； 1：PTO空闲
PTO/PWM刷新周期值 PWM刷新脉冲宽度值 PTO刷新脉冲计数值 PTO/PWM时基选择 PWM更新方法 PTO操作
步进电机工作原理
综上所述，可以得到如下结论： (1) 步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转 过一个确定的角度，即步进电机的步距角α； (2) 改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之 改变； (3) 步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转 的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高； (4) 步进电机步距角α与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通 电方式k有关，可用下式表示：
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细分驱动
细分驱动模式具有低速振动极小和定位精度高两大优点。 对于有时需要低速运行（即电机转轴有时工作在60rpm以 下）或定位精度要求小于0.90度的步进应用中，细分驱动 器获得广泛应用。其基本原理是对电机的两个线圈分别按 正弦和余弦形的台阶进行精密电流控制，从而使得一个步 距角的距离分成若干个细分步完成。如上图所示。例如十 六细分的驱动方式可使每圈200标准步的步进电机达到每 圈200*16=3200步的运行精度（即0.1125°）。Leadshine 公司可提供规格齐全、性能优越、品质可靠、价格优惠的 十余款细分驱动器。
步进驱动器有关细分的设置



设置细分时要注意的事项： 1、一般情况先细分数不能设置过大，因为 在控制脉冲频率不变的情况下，细分越大， 电机的转速越慢，而且电机的输出力矩减 小。 2、驱动步进电机的脉冲频率不能太高，一 般不超过2KHz，否则电机输出的力矩迅速 减小。
设置步进驱动器的拨码开关，使其输出 相电流为1.05A，细分数为4。滚珠丝杠 的导程为5mm，整步方式下步距角为 1.8°。
步进控制系统的组成
控制器 1.PLC、单片机、位置控 制模块等。 2.产生脉冲和方向信号。
步进驱动器 1.对控制器送来的 脉冲和方向信号进 行放大和分配。
步进电机和工作台 步进电机按照分配 来的信号运行驱动 工作台。
步进电机结构和工作原理
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控 制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只 取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响， 即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 脉冲数越多电机转动的角度越大。 脉冲的频率越高电机的转速越快，但不能超过最高频率否 则电机的力矩会迅速减小，电机不转。