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倍福Beckhoff在步进电机控制中的应用研究汇总

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倍福Beckhoff在步进电机控制中的应
用研究

倍福Beckhoff在步进电机控制中的应用研究
类别：传感与控制
该系统为某主机电控系统，完成对光束的准直过程中的参数诊
断、数据采集、闭环控制等实时控制功能以及与主控系统的通信功能。步进电
机以性价比高，实时效果好，不需要昂贵的反馈系统著称，该系统中采用了一
千多个步进电机来实现对光束的准直。神光原型采用控制卡控制大量步进电
机，控制卡控制步进电机没有负载位置的反馈信号，实时效果差，故障定位非
常困难；试验中采用西门子PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻
辑控制器)控制这些电机可靠性好，但控制少量步进电机时比较简单，控制大量
步进电机时时序复杂，接线复杂，成本高，调试困难。最终方案采用德国
Beckhoff公司的自动化产品，如嵌入式控制器，现场总线端子、步进电机总线
端子等设备控制电机，该方案具有成本较低、操作简便、占用空间小等优点，
也提高了系统的性能和可靠性，现已通过试验和审进入调试阶段。 1 步进
电机运动控制系统总体设计思想 电控系统的总体设计思想为：控制系统设
计应分别满足现场独立控制与远程集中控制，各子系统具备对系统各类设备的
状态进行实时监测的功能，包括故障定位检测和报警；具备对系统各设备进行
参数设置、参数采集、存储、处理等功能。主控计算机位于主控制室内，通过
1 000 Mb／s光纤网络与分控计算机通信，分控计算机通过光纤交换机与控制
设备采用工业以太网通信，其网络拓扑图如图1所示。 2 步进电机运动控
制系统设计方案 2.1 倍福步进电机总体控制架构设计 采用基于嵌入
式PC的模块化运动控制器，型号为CX1020，运动控制器本身集成双Ethernet
接口，其中一个向上连接到现场工业以太网，接受运动控制的调用指令，另一
个可以作为本地调试的网络接口。运动控制器、运动控制网络接口部件、步进
电机驱动器通过硬实时的超高速以太网EtherCAT(Ethernet for Controland
Automation Technology)构成运动控制网络系统，采用EtherCAT取代以往的现
场总线传输技术，可以显著减少控制系统CPU的负荷，而且无需任何智能主站
卡，适合集中式与分布式控制体系。 末端端子与底层EtherCAT总线耦合
器端子BK1120相连，在本机架内总线耦合器通过K-Bus总线接口连接电机驱动
总线端子KL2531和KL2541，步进电机直接连接在这两个端子上，如果使用
KL2541端子，还需要在机架上安设数字输入端子KL1002，用于接人步进电机限
位信号，最后在机架末端安放BK9010总线终端端子。 每级机架上总线耦
合器BK1120的另一网络端口向下依次级联另一机架上的总线耦合器，最后从控
制器到各级机架网络节点形成一个总线型的控制网络拓扑结构。KL2531和
KL2541是步进电机总线端子，提供一路20 kHz的脉冲，可以各带一个步进电
机。步进电机总体控制架构如图2所示。 具体的控制器和通讯模块等数量
配置见表1。 2.2 硬件组成 电机控制系统主要由控制服务器、运动
控制器、电源模块、Ethernet交换数据的通讯模块和总线端子等组成。
2.3 重要器件概述 运动控制器采用基于嵌入式PC的模块化运动控制器，
型号为CX1020，处理器为Intel Celeron MULV1 GHz，内存为256 MB／512 MB
／1 024 MB，操作系统为Microsoft Windows XP Embedded或
MicrosoftWindows CE。该运动控制器应用于中等规模的控制系统中，自带两个
工业以太网EtherCAT接口，其中一个向上连接到现场工业以太网，接受运动控
制的调用指令，另一个可以作为本地调试的网络接口。软件开发平台TwinCAT
PLC(The Windows Control and Automation Technology PLC)使用符合采用
IEC61131-3的编程语言编程，运动控制功能库符合PLCopen标准，具有通用
的、开放式软件接口。 EtherCAT是与PC控制技术相匹配的通讯系统，以
Beckhoff开发的实时工业以太网解决方案，其特点是性能优越、操作简便。该
技术采用标准的以太网帧，支持因特网技术。以太网可以直接到达端子，以太
网过程接口可以从2位扩展到64个字节；350μs处理12 000个数字量I／O；
100μs处理100个电机轴等。EtherCAT适合于多种网络拓扑结构，可用于设备
控制、机器人、嵌入式系统、楼宇自动化、运输系统等。 步进电机历史悠
久，爆发力好，便于控制并且扭矩大，在控制领域内占有相当重要的地位。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。我们采用北京四通的两相混合
式步进电机，型号为28BYG250C，步距角为0.9／1.8，静态相电流0～7 A，保
持转矩0.065 gcm2。 KL2531和KL2541是集成的步进电机控制器，是
Beckhoff产品中用于传统驱动器高性价比的产品。KL2531和KL2541均可以提
供和小型伺服驱动器相近似的性能，提供了最大64个最大中间步，并提供一路
20 kHz的脉冲，一路脉冲驱动一台步进电机。KL2531总线端子用于较低性能场
合，该端子是为简单的整合到24 V直流电压控制系统而设计的，每相尖峰电流
1.5 A。KL2541可以提供高达5 A的最大电流，能够驱动扭矩高达5 电位器或
者指拨开关来设定。 3 软件配置 Beckhoff公司基于PC平台的实时
核技术可以将安装了Microsoft公司WindowsNT／2000／XP／CE.NET／XP嵌入
式操作系统的普通PC和Beckhoff公司的嵌入式控制系统CX1000改造为具有实
时能力的PC控制器。Beckhoff公司基于PC平台的实时核技术通过与3S公司
提供的TwinCAT编程环境相结合，以及系统管理器对Beckhoff公司各种I／O
设备的驱动程序相结合，使TwinCAT CP、I／O、PLC、PTP和NCI构成了一套完
整的基于PC平台的实时控制器解决方案。 TwinCAT软件具备四套独立运
行的PLC实时核，每套PLC都可分配4个任务，并且可以将最小任务周期时间
设置为50μs(取决于所使用的CPU处理能力)。TwinCAT PLC控制是用于PLC的
完整开发环境，所使用的编辑器和调试功能建立在高级编程语言开发环境基础
之上，在TwinCAT PLC中可以使用IEC61131-3的五种不同语言创建PLC程序。
TwinCAT实时任务运行的载荷率(TwinCAT实时任务运行时间与操作系统运行时
间的比率)可调范围为10％～90％。并在此基础上，将伺服控制中的PTP、NCI
和HMI技术拓展到系统管理器和TwinCAT编程环境中。 4 结 语 该设
计方案已经通过实验阶段进入正式调试阶段，在该过程中，可以发现倍福产品
有很多优点，占用的空间小。现场总线端子的主要特点是性价比高，质量可
靠，结构紧凑，坚固耐用，而且安装和接线非常方便。EtherCAT技术具有高度
的通用性，基于EtherCAT的系统可以大大缩短研发速度。

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步进电机驱动控制技术及其应用设计研究

步进电机驱动控制技术及其应用设计研究

目录第一章绪论 (3)1.1 步进电机概述 (3)1.2 步进电机工作原理 (5)1.2.1 磁阻式步进电机 (5)1.2.2 永磁式步进电机 (6)1.2.3 混合式步进电机 (7)1.3 国内外发展概况与趋势 (9)1.4 关键技术问题 (10)1.4.1 正弦细分驱动技术 (11)1.4.2 脉冲宽度调制技术 (12)1.4.3 升降频控制技术 (12)1.5 本论文的工作内容 (13)第二章两相永磁式步进电机测试仪器的设计及实现 (14)2.1 整体介绍 (14)2.1.1 驱动方式 (15)2.1.2 励磁方式 (15)2.1.3 测试流程 (16)2.2 硬件设计 (17)2.2.1电源模块 (17)2.2.2 单片机模块 (18)2.2.3 步进电机驱动模块 (19)2.2.4 按键及液晶显示模块 (21)2.3 软件设计 (22)3.2.1 菜单界面 (23)3.2.2 测试流程的实现 (24)2.4 设计结果及实验测试 (25)2.5 本章小结 (27)第三章五相混合式步进电机驱动器的开发设计 (28)3.1 整体介绍 (28)3.1.1 驱动器输入信号 (29)3.1.2 四五相励磁方式 (30)3.1.3 斩波恒总流功率放大 (31)3.2 硬件设计 (34)3.2.1 SI7502 驱动电路 (34)3.2.2 光耦隔离电路 (35)3.2.3 Atmega8L外围电路 (36)3.2.4 电源管理电路 (37)3.3 软件设计 (38)3.3.1 Atmega8L软件开发环境 (38)3.5 实验测试 (40)3.4 本章小结 (41)第四章两相混合式步进电机三维细分驱动控制器的设计及实现 (42)4.1 整体介绍 (42)4.1.1 系统框图 (43)4.1.2 正弦细分驱动 (43)4.1.3 功能介绍 (45)4.2 硬件设计 (46)4.2.1 PIC16F877外围电路 (47)4.2.2 恒流斩波驱动电路 (48)4.2.3 DA转换电路 (51)4.2.4 按键检测电路 (52)4.3 软件设计 (53)4. 3. 1 PIC16F877开发环境 (54)4.3.2 正弦细分控制 (55)4.3.3 升降速控制 (57)4.4 通讯协议设计 (59)4.4.1 帧格式 (59)4.4.2 通讯行为 (60)4.4.3 功能定义 (61)4.5 实验测试 (63)4.6 本章小结 (66)第五章 RS232-CAN和RS232-USB协议转换模块的开发设计 (67)5.1 CAN及USB介绍 (67)5.1.1 CAN总线 (67)5.1.2 USB总线 (68)5.2 方案设计 (69)5.2.1 基于USB、CAN和RS232的通信方案 (69)5.2.2 USB-RS232协议转换模块 (71)5.2.3 CAN-RS232协议转换模块 (72)5.3 硬件设计 (73)5.3.1 CAN-RS232电路设计 (73)5.3.2 USB-RS232电路设计 (75)5.4 软件设计 (75)5.3.1 STC89C54RD+开发环境介绍 (76)5.3.2 CAN-RS232程序设计 (76)5.5 本章小结 (78)第六章芯片显微自动拍照系统的实现 (79)6.1 应用背景 (79)6.2 系统总体设计 (79)6.2.2 工作流程 (80)6.3 运动控制模块 (81)6.4 图像获取模块 (83)6.5 本章小结 (87)第七章工作总结与展望 (87)参考文献 (87)致谢 (89)附录 (89)第一章绪论步进电机是一种将脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的控制电机,它能够在不涉及复杂反馈环路的情况下实现良好的定位精度，并由于具有价格低廉、易于控制、无积累误差等优点,在民用、工业用的经济型数控定位系统中获得了广泛的应用,具有较高的实用价值。

PLC在步进电机控制中的应用探究

PLC在步进电机控制中的应用探究

PLC在步进电机控制中的应用探究
PLC是可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）的缩写，它是一种电子设备，用于自动控制各种工业过程。

步进电机是一种用于实现精确位置和速度控制的电机
类型。

下面将探讨PLC在步进电机控制中的应用。

1. 位置控制：PLC可以通过与编码器或位置传感器等设备配合使用，实现步进电机的精确位置控制。

通过PLC编程，可以设置步进电机的目标位置，并监控电机的当前位置，
从而实现闭环控制。

2. 速度控制：PLC可以通过调整脉冲频率和方向信号，控制步进电机的转速。

通过PLC编程，可以设置步进电机的目标速度，并根据实际情况调整脉冲频率和方向信号，从
而实现闭环速度控制。

4. 动态控制：PLC可以通过灵活的编程和逻辑运算，实现步进电机的复杂动态控制，例如位置同步控制、多轴插补控制等。

通过PLC编程，可以根据工艺要求和实际需要，设
计出适应不同应用场景的步进电机控制方案。

5. 故障诊断与保护：PLC可以实时监测步进电机的运行状态和参数，当出现故障或异常情况时，可以通过编程设定相应的报警和保护机制，避免电机损坏或不正常运行。

6. 通信与远程监控：PLC可以通过串口、以太网等通信接口，与上位机或其他设备进行数据交换和远程监控。

通过PLC编程，可以实现步进电机的远程控制和监控，提供更灵活、方便和智能的操控方式。

PLC在步进电机控制中的应用主要包括位置控制、速度控制、加减速控制、动态控制、故障诊断与保护，以及通信与远程监控等方面。

通过PLC的编程和逻辑运算，可以实现对
步进电机的精确控制和灵活应用，提高生产效率和产品质量。

Beckhoff科技自动化方案篇

Beckhoff科技自动化方案篇

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高性能测量测试产品
TwinCAT 状态监控功能库
频率分析 状态 模式识别及机器学习
流 体 分 析 电 力 测 量
振
节气门阀片在最小位置保持一定的开度，在控制系统失效的情况
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4 5
2 1 5
2 3 5
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下可保证车辆以一定的节气门开度行驶到安全地点。
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节气门开度传感器
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电子节气门—— PID 控制方法 如何将电子节气门控制到期望的开度，是电子节气门控制的主要任务。本案例采用经典的 开度的控制。 PID 控制方式实现对节气门
RTD
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-R
-RL
输入
典型值 200 mA 输入：n x 2 x 16 位数据；可选 2 x 16 位周期计数器， 4 字节
StartNextLatch
过程映像数据
时间
EL3413 三相功率测量端子模块 690V EL3413 是EL3403 的延伸版本。可以直接连接 690V 交流电，优化了在风力发电行业的应用。不需要上层的电压互感器。 电流输入隔离，可以使用所有公共端接地的电流互感器。EL3413 可以处理简单的网络分析高达 21 次谐波分析。谐波数据可 以通过网络读取。
步进电机的研究报告

步进电机的研究报告

步进电机的研究报告前言:步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用.因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识.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100％)的特点，广泛应用于各种开环控制.关键字：感应电机、执行元件、电脉冲转、步距角、角位移量、准确定位、开环控制。

目录：一、步进电机1、步进电机的工作原理2、步进电机的结构3、步进电机的分类4、如何控制步进电机5、步进电机的特点6、步进电机的工作方式7、步进电机的选用8、步进电机的测试9、步进电机的型号、参数、尺寸标准10、步进电机应用中的注意点二、步进驱动器1、步进驱动器工作原理2、步进驱动器的作用3、步进驱动器如何接线4、如何的确定步进电机线序5、步进驱动器的工作模式6、步进驱动器的选择三、步进电机控制系统1、步进电机控制系统的组成部分2、步进电机控制器的种类3、步进电机控制器的作用四、步进电机的最新研究成果及发展方向五、扩展1、变频器对步进电机的节能改造一、步进电机1、步进电机的工作原理步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。