6ES7323-1BH01-0AA0技術參數

步進電機作為電磁機械裝置，其進給的分辨率取決于細分驅動技術。采用軟件細分驅動方式，由于編程的靈活性、通用性，使得步進細分驅動的、效，要修改方案也易辦到。同時，還可解決步進電機在低速時易出現的低頻振動和運行中的噪聲等。但單一的軟件細分驅動在精度與速度兼顧上會有矛盾，細分的步數越多，精度越高，但步進電機的轉動速度卻降低；要提高轉動速度，細分的步數就得減少。為此，設計了多級細分驅動系統，通過不同的細分檔位設定，實現不同步數的細分，同時保了不同的轉動速度。

1 細分驅動原理

步進電機控制中已蘊含了細分的機理。如三相步進電機按A→B→C……的順序輪流通電，步進電機為整步工作。而按A→AC→C→CB→B→BA→A……的順序通電，則步進電機為半步工作。以A→B為例，若將各相電流看作是向量，則從整步到半步的變換，就是在IA與IB之間插入過渡向量IAB，因為電流向量的合成方向決定了步進電機合成磁勢的方向，而合成磁勢的轉動角度本身就是步進電機的步進角度。顯然，I AB的插入改變了合成磁勢的轉動大小，使得步進電機的步進角度由θb變為0.5 θb，從而也就實現了2步細分。由此可見，步進電機的細分原理就是通過等角度有規律的插入電流合成向量，從而減小合成磁勢轉動角度，達到步進電機細分控制的目的。

如圖1所示，在三相步進電機的A相與B相之間插入合成向量AB，則實現了2步細分。要再實現4步細分，只需在A與AB之間插入3個向量I1、I2、I3，使得合成磁勢的轉動角度θ1=θ2=θ3=θ4，就實現了4步細分。但4步細分與2步細分是不同的，由于I1、I2、I3 3個向量的插入是對電流向量IB的分解，故控制脈沖已變成了階梯波。細分程度越高，階梯波越復雜。

圖1 步進細分原理

在三相步進電機整步工作時，實現2步細分合成磁勢轉動過程為IA→IAB→IB；實現4步細分轉動過程為IA→I2→IAB……；而實現8步細分則轉動過程為IA→I1→I2→I3→IAB……。可見，選擇不同的細分步數，就要插入不同的電流合成向量。

2 多級細分驅動系統的實現

2.1 系統組成

如圖2所示，系統由主機、鍵盤輸入系統、步進顯示系統、步進控制系統組成。主機采用AT89C51單片機，其為低功耗的8位單片機，片內有一個4K字節的Flash可編程、可擦除、只讀存儲器，故可簡化系統構成，且可滿足本系統數據存儲空間的要求。主機接收串行口送來的步進控制數據，并對其進行處理，以實施步進控制。鍵盤輸入系統是用來輸入控制所需的細分檔位。系統設計時，考慮到隨著細分的精確化，如128步細分時，步距角達到足夠小，能滿足各種步進要求，故以2的整數次冪作為細分基準。步進顯示系統由液晶顯示器顯示當前細分檔位和細分后的步進角等參數。為了減少電路的復雜性，該顯示器顯示的最小單位規定為0.01°。步進控制系統由D/A轉換部分和驅動系統組成。D/A轉換部分包括３片DAC0830集成芯片和數據鎖存系統。DAC0830轉換分辨率是8位，該芯片具有與微處理器兼容、價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優點。D/A轉換部分的功能是將二進制代碼表示的階梯波數值轉換為相應的電流值輸出，經驅動系統放大，控制步進電機轉動。驅動系統采用三級管實現電流放大。

圖2 多級細分驅動系統組成

2.2 細分階梯波的產生

細分的實現過程，就是插入電流合成向量和轉換電流合成向量的過程。電流合成向量轉化的前提是合成向量的插入。在系統中，由主機根據設定的細分檔位，計算出相關參數，經查表生成相對應的階梯波，即插入了電流合成向量。在正轉或反轉的控制信號下，階梯波脈沖由輸出端口經鎖存系統送入D/A轉換器件DAC0830進行電流合成向量的轉化，輸出對應的電流值，經驅動放大控制步進電機，從而實現了細分驅動。

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電流合成向量的插入是實現細分的關鍵，而要得到電流合成向量，首先必須產生階梯波。由圖1知，在三相電機半步工作的情況下，要實現4步細分，就必須將B相電流分成4份，但不是等分，需保證θ1=θ2=θ3=θ4。若θ1、θ2、θ3、θ4分別對應的電流向量是IB1、IB2、IB3、IB4，則在θ1所對應的三角形內，設步進角為θb，則α=180°-θb，β=θb-θ1，由正弦定理得

考慮到一般情況，由于細分時步進電機控制脈沖波形是階梯型，如對B相進行4步細分時,其電流輸入依次為IB1、IB1+ IB2、IB1+ IB2+ IB3、IB1+ IB2+ IB3+ IB4，相應合成磁勢轉過的角度為θ1、θ1+θ2、θ1+θ2+θ3、θ1+θ2+θ3+θ4，此時設

IBk即為電流合成向量中B相階梯波中第k階的電流值，θk即為此時合成磁勢相應轉過的角度。由此推出，對B相來講，在步進電機的步進角度為θb時，考慮到IA=IB，則階梯波型其任一階的電流值為

同理，可求得A相和C相在細分時對應的階梯波電流值。對(1)式求解，考慮D/A器件DAC0830的轉換精度是8位，轉換穩定時間是1 μs，故最大進行了128步細分的運算，相應求得其對應的細分電流值，并進行了相應的轉換，得到對應的二進制數值列表。此時，列表全部的數值就是在實現128步細分時，對應階梯波各階的電流值。

2.3 多級細分驅動的實現

要在細分的基礎上實現多級細分，就必須針對不同的細分檔位生成不同的階梯波。為此，該系統采用了循環增量查表法。首先建立階梯波數值存儲表格，有兩種方法，一種是針對每種細分方式建立相應的表格，其特點是細分種類多樣，但表格所占空間較大；另外一種，也就是該系統采用的，以最大細分檔位對應的步數僅建立一個表格，大大減少了所需的存儲空間，并減少了程序運行中的不穩定因素。在具體控制中，該系統通過設定循環增量基數，使不同的細分檔位對應不同的細分步數，實現了多級細分驅動。

循環增量基數是指針對不同的細分檔位，實現等間隔尋址時相應跳躍的步數。循環增量基數是在細分檔位設定后，由相應的計算公式得到。由于該系統最大細分步數為128步，即表格最大長度為128個字節，若細分步數為m步，則循環增量基數為LB=(128/m)-1。不同的檔位對應不同的循環增量基數，同一表格就產生了多級細分所需的階梯波。

另外，在整步控制的基礎上，若細分為m步，對每m步運行中的各項電流值進行分析比較，可發現存在以下規律，即各相電流值的變化趨勢，隨著相位變化循環地出現，如表1所示。

表1 細分控制中各相電流值變化規律

各相 A→B B→C C→A

A相 高→遞減 電流值=0 增加→高

B相 增加→高 高→遞減 電流值=0

C相 電流值=0 增加→高 高→遞減

在表1中，每一種保持或變化都是持續m/2步，且可看出其良好的循環性。依據以上規律，在具體控制中，該系統單獨對由A→B控制時各相相應的電流值變化，實現子程序控制，而對整體控制則采用圓周移位的方式實現，即隨著合成磁勢在A→B、B→C、C→A的轉動，對同一輸出，相應每m步的控制數據循環出現。采用這種方式，簡化了實際控制程序，提高了控制效率。

1 概 述
在組合機床自動線中，一般根據不同的加工精度要求設置三種滑臺（1）液壓滑臺，用于切削量大，加工精度要求較低的粗加工工序中；（2）機械滑臺，用于切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中；（3）數控滑臺，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。可編程控制器（簡稱PLC）以其通用性強、可靠性高、指令系統簡單、編程簡便易學、易于掌握、體積小、維修工作少、現場接口安裝方便等一系列優點，被廣泛應用于工業自動控制中。特別是在組合機床自動生產線的控制及CNC機床的S、T、M功能控制更顯示出其卓越的性能。PLC控制的步進電機開環伺服機構應用于組合機床自動生產線上的數控滑臺控制，可省去該單元的數控系統使該單元的控制系統成本降低70~，甚至只占用自動線控制單元PLC的3~5個I/O接口及<1KB的內存。特別是大型自動線中可以使控制系統的成本顯著下降。
2 PLC控制的數控滑臺結構
一般組合機床自動線中的數控滑臺采用步進電機驅動的開環伺服機構。采用PLC控制的數控滑臺由可編程控制器、環行脈沖分配器、步進電機驅動器、步進電機和伺服傳動機構等部分組成，伺服傳動機構中的齒輪Z1、Z2應該采取消隙措施，避免產生反向死區或使加工精度下降；而絲杠傳動副則應該根據該單元的加工精度要求，確定是否選用滾珠絲杠副。采用滾珠絲杠副，具有傳動效、系統剛度好、傳動精度高、使用壽命長的優點，但成本較高且不能自鎖。
3 數控滑臺的PLC控制方法
數控滑臺的控制因素主要有三個：
3.1 行程控制
一般液壓滑臺和機械滑臺的行程控制是利用位置或壓力傳感器（行程開關/死擋鐵）來實現；而數控滑臺的行程則采用數字控制來實現。由數控滑臺的結構可知，滑臺的行程正比于步進電機的總轉角，因此只要控制步進電機的總轉角即可。由步進電機的工作原理和特性可知步進電機的總轉角正比于所輸入的控制脈沖個數；因此可以根據伺服機構的位移量確定PLC輸出的脈沖個數：
n= DL/d （1）
式中 DL——伺服機構的位移量（mm）
d ——伺服機構的脈沖當量（mm/脈沖）
3.2 進給速度控制
伺服機構的進給速度取決于步進電機的轉速，而步進電機的轉速取決于輸入的脈沖頻率;因此可以根據該工序要求的進給速度,確定其PLC輸出的脈沖頻率:
f=Vf/60d (Hz) (2)
式中 Vf——伺服機構的進給速度(mm/min)
3.3 進給方向控制
進給方向控制即步進電機的轉向控制。步進電機的轉向可以通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變其轉向;如三相步進電機通電順序為A-AB-B-BC-C-CA-A…時步進電機正轉;當繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A…順序通電時步進電機反轉。因此可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環行分配器的輸出順序來實現，或經編程改變輸出脈沖的順序來改變步進電機繞組的通電順序實現。

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4 PLC的軟件控制邏輯
由滑臺的PLC控制方法可知，應使步進電機的輸入脈沖總數和脈沖頻率受到相應的控制。因此在控制軟件上設置一個脈沖總數和脈沖頻率可控的脈沖信號發生器；對于頻率較低的控制脈沖，可以利用PLC中的定時器構成，如圖2所示。脈沖頻率可以通過定時器的定時常數控制脈沖周期，脈沖總數控制則可以設置一脈沖計數器C10。當脈沖數達到設定值時，計數器C10動作切斷脈沖發生器回路，使其停止工作。伺服機構的步進電機無脈沖輸入時便停止運轉，伺服執行機構定位。當伺服執行機構的位移速度要求較高時，可以用PLC中的高速脈沖發生器。不同的PLC其高速脈沖的頻率可達4000~6000Hz。對于自動線上的一般伺服機構，其速度可以得到充分滿足。
5 伺服控制、驅動及接口
5.1 步進電機控制系統的組成
步進電機的控制系統由可編程控制器、環行脈沖分配器和步進電機功率驅動器組成，控制系統中PLC用來產生控制脈沖；通過PLC編程輸出一定數量的方波脈沖，控制步進電機的轉角進而控制伺服機構的進給量；同時通過編程控制脈沖頻率——既伺服機構的進給速度；環行脈沖分配器將可編程控制器輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應的繞組。PLC控制的步進電機可以采用軟件環行分配器，也可以采用如圖1所示的硬件環行分配器。采用軟環占用的PLC資源較多，特別是步進電機繞組相數M>4時，對于大型生產線應該予以充分考慮。采用硬件環行分配器，雖然硬件結構稍微復雜些，但可以節省占用PLC的I/O口點數，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅動器將PLC輸出的控制脈沖放大到幾十~上百伏特、幾安~十幾安的驅動能力。一般PLC的輸出接口具有一定的驅動能力，而通常的晶體管直流輸出接口的負載能力僅為十幾~幾十伏特、幾十~幾百毫安。但對于功率步進電機則要求幾十~上百伏特、幾安~十幾安的驅動能力，因此應該采用驅動器對輸出脈沖進行放大。
5.2 可編程控制器的接口
如伺服機構采用硬件環行分配器，則占用PLC的I/O口點數少于5點，一般僅為3點。其中I口占用一點，作為啟動控制信號；O口占用2點，一點作為PLC的脈沖輸出接口，接至伺服系統硬環的時鐘脈沖輸入端，另一點作為步進電機轉向控制信號，接至硬環的相序分配控制端，如圖3所示；伺服系統采用軟件環行分配器時，

6 應用實例與結論
將PLC控制的開環伺服機構用于某大型生產線的數控滑臺，每個滑臺僅占用4個I/O接口，節省了CNC控制系統，其脈沖當量為0.01~0.05mm,進給速度為Vf=3~15m/min,完全滿足工藝要求和加工精度要求

1 引言
本機是將兔毛原料未經改性處理，直接進行開松、梳理，制成一定支數的毛條，具備抱合力大和加有真捻等特點，并由紡紗機(FNT-28型兔毛紡紗機，專利號:9424N73-4)紡制成各種規格支數的細紗。本機是國家發明專利產品(專利號:93106597-6)，八五國家星火項目，同時又被國家科委列為九五項目。
本機電氣部分采用繼電器控制系統，動力驅動由三相異步電動機來完成。該控制系統有三點不足:
(1) 繼電器線路接線復雜，功能單一。 繼電器接觸控制系統的邏輯部分由許多繼電器;按某一固定形式連接而成，若工藝流程發生改變，則需要改變繼電器控制系統的接線，才能滿足新的工藝流程要求。工人實際操作和維修復雜，易出故障;
(2) 可靠性不高，控制精度不夠，這就勢必影響了出條支數、出條定重;
(3) 繼電器控制柜的體積大，占用了較大的生產空間，影響了工人的操作。
因此有必要對本機的控制系統進行改造。近年來，隨著科學技術的飛速發展，步進、伺服電機的應用越來越廣泛，其功能多樣性和產品可靠性日臻完善，正在逐步取代原來的普通電機。而且隨著可編程控制器技術的日益成熟，將二者完整地結合起來，完成對各種復雜運動的自動控制，實行機電一體化，正在成為一種趨勢。
2 控制方案的確定
由于步進電機可直接用數字信號控制，無需反饋可開環工作，無累積定位誤差，控制精度高，因此被廣泛用于數字控制系統和計算機控制系統。而可編程序控制器(PLC)是一種適于工業現場控制的，由單片計算機(CPU)、外圍大規模集成電路(LSI)、系統軟件及I/0接口等構成的新型控制器，用戶通過軟件設計，可實現以往難以實現的各種復雜邏輯控制。與通用PC機或單片機構成的系統相比，PLC具有可靠、抗擾能力強、編程簡單等優點，已成為替代傳統繼電接觸器控制線路的升級換代產品。因此，本系統采用可編程控制器(PLC) 為控制核心，步進電動機為執行元件、紅外光電傳感器為檢測元件的新型系統，實現了兔毛梳理機的計算機數字控制。
3 控制系統的實現
3.1 系統組成
PLC選用日本松下FP0 PLC，共8點輸入(X0~X7),8點輸出(Y0~Y7)，主要控制主電機Motor1和毛斗步進電機Motor2的工作狀態和轉速;步進電機選用兩相混合步進電動機，步距角1.8°/STEP，用于驅動主機和毛斗;步進電機驅動器選用DMD402，電源電壓DC14V~40V，其作用是根據PLC的控制指令對電機實現脈沖和方向控制。
3.2 系統工作原理
FP0系列PLC除具有一般邏輯控制與運算功能外，還具有高速計數輸入(最大10kHz)、PLS脈沖直接輸出、SPD位置控制、PWM脈沖輸出等特殊處理功能，用于步進電機的速度控制或位置按制十分方便。
PLC輸出口Y0、Y1以脈沖速率方式輸入步進電機驅動器的Pulse bbbbb端，控制梳理機主電機和毛斗電機轉速和位移。PLC輸出口Y2、Y3以方向信號輸入到驅動器Directional bbbbb端，控制梳理機電機的轉向。輸出點Y4、Y5是步進電機復位信號RST，每次開機對步進電機驅動器清零。PLC輸入點X0以梳理機喂入量斗處的紅外傳感器作為輸入信號，可調節喂入量斗的喂毛量。X1、X2作為步進電機的啟動信號，X3作為步進電機復位信號。X4以為位置傳感器作為輸入信號，檢測梳理機是否復位。可以利用當需要手動操作時，可通過PLC的手動輸入信號X5、X6，以點動方式按制電機的正轉或反轉。控制關系為:X5=ON，電機正轉;X6=ON，電機反轉。
4 控制系統軟件設計
根據前述梳理機的電氣控制原理，結合PLC的程序設計方法和生產工藝要求，設計的控制軟件程序流程圖。
利用FP0 PLC提供的高速脈沖處理指令、邏輯控制指令、算數運算指令及一些特殊功能指令，可較方便的實現對步進電機的升/降速、恒速及正/反轉的運行控制，尤其用PLS-脈沖輸出指令和SPD-位置控制指令，可使步進電機達到不失步的升/降速與恒速運行。
5 結束語
以PLC和步進電機為主構成的數字式兔毛梳理機控制系統的研制成功，為兔毛梳理機在生產與應用環節的工藝參數的調整，提供了保障。采用本控制系統的兔毛梳理機各項指標:適紡原料范圍:兔毛(高比例);條干重量不勻率:1.5%;生條可紡支數:8～60公支;脫毛量:1～mg/100cm2;兔毛制成率≥95%;出條定重:0.125～1g/m;臺時產量:0.3～2kg/h。此外，系統具有控制精度高、操作簡單、運行平穩、無噪音等優點。

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