第七章步进控制
步进电机(step motor)—脉冲电机
电脉冲信号→角位移或直线位移。
给步进电动机输入一个电脉冲信号时，它就转过一定的角度或移动一定的距离。
由于其输出的角位移或直线位移可以不是连续的，因此称为步进电动机。
优点：
角位移或线位移与脉冲数成正比，其转速n或线速度v与脉冲频率成正比。
在负载能力范围内，这种关系不会因电压波动、负载变化、温度变化等原因而变化，其控制性能很好。
步进电动机广泛用于数控机床、打印机等控制系统中。
反应式步进电机结构
定子：6个磁极，分为3相，每个磁极上都套有一个绕组。
转子：均匀分布的4个齿，无绕组。
1、单三拍控制
A相绕组通电时，B、C两相不通电，气隙中生成以A-A’为轴线的磁场。
由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，将使转子齿1、3和定子A-A’对齐，即产生A-A’轴线方向的磁通。
如果A相绕组不断电，1、3两转子齿就一直被磁极A-A吸引住而不改变其位置，即转子具有自锁能力。
B相绕组通电时，A、C两相不通电，气隙中生成以B-B’为轴线的磁场。
由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，将使离磁极B-B’最近的转子齿2、4和定子B-B’对齐，即产生B-B’轴线方向的磁通。
C相绕组通电时，A、B两相不通电，气隙中生成以C-C’为轴线的磁场。
由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，将使离磁极C-C’最近的转子齿1、3和定子C-C’对齐，即产生C-C’轴线方向的磁通。
2、双三拍控制
3、单、双六拍工作方式
步进电机是Kinco三相步进电机3S57Q-04056，与之配套的驱动器为Kinco 3M458三相步进电机驱动器。
1、3S57Q-04056部分技术参数如表7-2所示：
3S57Q-04056的三个相绕组必须连接成三角形，接线图如图7-10所示。
2、Kinco 3M458三相步进电机驱动器主要电气参数如下：
供电电压：直流24V～40V
输出相电流：3.0A～5.8A
控制信号输入电流：6～20mA
冷却方式：自然风冷
该驱动器具有如下特点；
①采用交流伺服驱动原理，具备交流伺服运转特性，三相正弦电流输出。
②内部驱动直流电压达40V，能提供更好的高速性能。
③具有电机静态锁紧状态下的自动半流功能，可大大降低电机的发热。
④具有最高可达10000步/转的细分功能，细分可以通过拨动开关设定。
⑤几乎无步进电机常见的共振和爬行区，输出相电流通过拨动开关设定。
⑥控制信号的输入电路采用光耦隔离。
⑦采用正弦的电流驱动，使电机的空载起跳频率达5kHz,(1000步/转)左右。
在3M458 驱动器的侧面连接端子中间有一个红色的八位DIP功能设定开关，可以用来设定驱动器的工作方式和工作参数。
图7-11是该DIP开关功能说明。
3M458 DIP开关功能说明
驱动器的典型接线图如图7-12所示，335A中，控制信号输入端使用的是DC24V电压，所使用的限流电阻R1为2KΩ。
3M458的典型接线图
驱动器还有一对脱机信号输入线FREE+和FREE-，当这一信号为ON时，驱动器将断开输入到步进电机的电源回路。
335A没有使用这一信号，目的是使步进电机在上电后，即使静止时也保持自动半流的锁紧状态。
335A为3M458 驱动器提供的外部直流电源为DC24V，6A输出的开关稳压电源，直流电源和驱动器一起安装在模块盒中，驱动器的引出线均通过安全插孔与其他设备连接。
图7-13是3M458步进电机驱动器模块的面板图。
M458步进电机驱动器模块的面板
3、步进电机传动组件的基本技术数据
3S57Q-04056步进电机步距角为1.8度，即在无细分的条件下200个脉冲电机转一圈（通过驱动器设置细分精度最高可以达到10000个脉冲电机转一圈）。
输送站传动采用同步轮和同步带，同步轮齿距为5mm、共11个齿即旋转一周搬运机械手位移55mm。
YL335-A系统中为达到控制精度驱动器细分设置为10000步/转即（每步机械手位移
0.0055mm）电机驱动电流设位5.2A。
FX1n PLC的脉冲输出功能
晶体管输出的FX1N 系列PLC CPU单元支持高速脉冲输出功能，但有如下限制：
⑴高速脉冲输出仅限于Y000和Y001点。
⑵在FX1N可编程控制器中，不连接虚拟电阻，在DC5-24V（10-100mA）的条件下，也能输出100KHZ以下的频率的脉冲。
输送单元上Kinco 3M458三相步进电机驱动器控制信号输入电流为6～20mA，为了与FX1N 脉冲输出端匹配，应在脉冲输出端（Y0或Y1）与电源正极间并联虚拟电阻。
同时，步进电机驱动器的细分开关应设置较低值（例如5000步/转）。
对输送单元步进电机的控制主要是返回原点和定位控制，可以使用FX1N的脉冲输出指令FNC57（PLSY）和带加减速的脉冲输出指令FNC59（PLSR）实现。
脉冲输出指令FNC57（PLSY）
PLSY指令的功能是以指定的频率产生定量脉冲。
指令格式如图7-12所示：
[S1•]：指定频率，对于FX1n，范围为 2～100000（Hz）。
[S2•]: 指定产生脉冲的数目。
允许设定的脉冲数的范围为：16位指令可设1～32767个脉冲，32位指令可设1～2 147 483 647个脉冲。
若指定脉冲数为“0”，则对产生的脉冲不受限制。
若用（D）PLSY指令，则脉冲数用（D0，D1）来指定。
[D•]：指定脉冲输出的Y地址号（仅限于Y000或Y001）。
编程PLSY指令时，须注意如下几点：
⑴脉冲的占空比为50%，输出控制不受扫描周期的影响，采用中断方式处理。
⑵在指令执行过程中，若更改[S1•]指定的字软元件内容，输出频率也随之改变。
若变更[S2•]指定的字软元件内容后，将从下一个指令驱动开始执行变更内容。
若X000变为OFF，则脉冲输出停止，X000再次置ON时，脉冲再次输出，但脉冲数从头开始计算。
⑶设定的脉冲数输出完成后，完成标志M8029置“1”，当PLSY指令从ON变为OFF时，M8029复位。
⑷ PLSY指令可以在程序中反复使用，但是在设计驱动指令时序时，须注意避免同时驱动产生双重线圈输出，以及两次驱动之间的时间间隔。
1.1.1.1带加减速的脉冲输出指令FNC59（PLSR）
PLSR是带加减速功能的定尺寸传送用的脉冲输出指令。
指令格式如图7-14所示。
图7-14 PLSR的指令格式
指令执行时，针对[S1•]指定的最高频率进行加速，在达到指定的脉冲数后，进行定减速，如图7-15所示，图中还标明了各操作数的含义和取值范围。
图7-15 PLSR的脉冲输出图
编程PLSR指令时须注意的问题与编程PLSY指令类似，但在执行中修改任一个操作数，运转都不会反映，变更内容从下一个指令驱动才有效。
此外，在编程PLSR指令时还要注意各操作数的相互配合：
①加减速时的变速级数固定在10级，故一次变速量是最高频率1/10。
因此设定最高频率时应考虑在步进电机不失步的范围内。
②加减速时间至少不小于PLC的扫描时间最大值（D8012值）的10倍，否则加减速各级时间不均等。
（更具体的设定要求，请参阅FX1N编程手册）
1.1.1.2与脉冲输出功能有关的主要特殊内部存储器
从Y000或Y001输出的脉冲数将保存于以下特殊数据寄存器中。
[D8141，D8140] 输出至Y000的脉冲总数
[D8143，D8142] 输出至Y001的脉冲总数
[D8136，D8137] 输出至Y000和Y001的脉冲总数
各个数据寄存器内容可以利用“（D）MOV K0 D81□□”执行清除。
