西门子模块6ES7231-7PB22-0XA8产品齐全

西门子模块6ES7231-7PB22-0XA8产品齐全

1  概  述 
      在组合机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台（1）液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工工序中；（2）机械滑台，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）数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。可编程控制器（简称PLC）以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及CNC机床的S、T、M功能控制更显示出其卓越的性能。PLC控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低70~，甚至只占用自动线控制单元PLC的3~5个I/O接口及<1KB的内存。特别是大型自动线中可以使控制系统的成本显著下降。
2  PLC控制的数控滑台结构 
      一般组合机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用PLC控制的数控滑台由可编程控制器、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成，伺服传动机构中的齿轮Z1、Z2应该采取消隙措施，避免产生反向死区或使加工精度下降；而丝杠传动副则应该根据该单元的加工精度要求，确定是否选用滚珠丝杠副。采用滚珠丝杠副，具有传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优点，但成本较高且不能自锁。    
3  数控滑台的PLC控制方法 
数控滑台的控制因素主要有三个：
3.1  行程控制 
一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器（行程开关/死挡铁）来实现；而数控滑台的行程则采用数字控制来实现。由数控滑台的结构可知，滑台的行程正比于步进电机的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。由步进电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数；因此可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数：
                      n= DL/d                      （1）
式中 DL——伺服机构的位移量（mm）
d ——伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）
3.2  进给速度控制 
伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率;因此可以根据该工序要求的进给速度,确定其PLC输出的脉冲频率:
f=Vf/60d   (Hz)                  (2)  
式中 Vf——伺服机构的进给速度(mm/min)
3.3  进给方向控制 
进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向;如三相步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A…时步进电机正转;当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A…顺序通电时步进电机反转。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。
4  PLC的软件控制逻辑 
      由滑台的PLC控制方法可知，应使步进电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。因此在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器；对于频率较低的控制脉冲，可以利用PLC中的定时器构成。脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器C10。当脉冲数达到设定值时，计数器C10动作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转，伺服执行机构定位。当伺服执行机构的位移速度要求较高时，可以用PLC中的高速脉冲发生器。不同的PLC其高速脉冲的频率可达4000~6000Hz。对于自动线上的一般伺服机构，其速度可以得到充分满足。   步进电机位移与输入脉冲信号数相对应，精度高、响应特性好、可靠性高、速度可在较宽范围内平滑调节，是控制系统中一种重要的自动化执行元件。

      SCM(Single Chip Microcomputer，单片机)是把组成微型计算机的*处理器、存储器、输入输出接口电路、定时器／计数器等制作在一块集成电路芯片中，它具有小巧、低功耗、指令系统丰富等优点，成为工业控制的主角。

      PLC(Programmable Logic Controller，可编程序逻辑控制器)是以微型计算机为核心的一种工控机。其控制方案能事先进行模拟调试，自身设计采用了冗余措施和容错技术。由于PLC通用性强，编程操作方便，扩展灵活，可靠性高，应用几乎覆盖各个工业领域。

      步进电机的电脉冲信号若由SCM产生，就构成以SCM为核心的控制系统。若电脉冲信号由PLC产生，就构成以PLC为核心的控制系统。

1 步进电机驱动方式

      反应式步进电机频率响应快、可双向旋转、定位准确、起停速度快，因而使用多，具有代表性。三相反应式步进电机定子有6个等间隔的磁极，线圈绕过相互正对的两个磁极构成一相，共有A—A、B—B和C—C三相。根据步进电机的工作原理，若按顺序给步进电机的绕组施加有序的脉冲电流即可控制步进电机的转动，从而进行数字到角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动的方向则与脉冲的顺序有关。

      从一相通电转到另一相通电称为一拍，对三相反应式步进电机来说，若按A→B→C→A顺序通电，则称为单相三拍运行方式。若按A→AB→B→BC→C→C→A→A顺序通电，则称为三相六拍运行方式。若按AB→BC→CA→AB顺序通电，则称为双相三拍运行方式。一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机，必须要有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。驱动电路不仅应该包含由功率开关器件构成的驱动主电路，还应包含一个逻辑单元，在输入脉冲序列的作用下输出定子绕组通电状态，控制主电路功率开关器件的导通与关断。典型的驱动电路主要有全电压，恒流斩渡，升频升压等形式。

2 基于SCM的步进电机控制方法

      2.1 控制原理

      SCM的P1口作为输出口，P1.0，P1.1，P1.2分别输出控制脉冲，通过7406驱动脉冲功率放大级的达林顿复合管，再分别控制三相步进电机的A、B、C三相。根据P1口输出控制信号的状态，即可实现对步进电机的正反转控制。

      表1列出了步进电机工作在三相六拍时的控制字。从中可以看出，步进电机第一个控制字数据为01H，从上到下输出控制字时，电机正转，自下而上输出控制字数据时，电机反转。步进电机运行一拍的时间决定了步进电机的转速。在输出一个控制字后加入一定的延时时间，即可控制步进电机的转速。

  1　引言

    步进电动机问世以后，很快确定了自己的应用场合，为开环高分辨率的定位系统，工业应用发展到今已有约30年的历史，还没有发现更适合的取代它的产品［1］，而且已经发展成为除直流和交流电机外的第三大类电动机产品，可是它毕竟发展的历史不长，尚有不成熟的感觉。

    从步进电动机产品的总体来看，*为突出的问题是规格品种繁杂，从结构类型上主要是永磁（混合）和磁阻式两大类；相数则有2、3、4、5、6、8、9相等多种，与各种不同转子齿数相配合，做成各种不同的步距角，例如：0.09°、0.1°、0.18°、0.2°、0.36°、0.45°、0.6°、0.72°、0.75°、0.9°、0.96°、1°、1.2°、1.5°、1.875°、2°、2.25°、3°、3.75°、4°、4.5°等等不胜枚举。还有不同的机座号，目前国内公制系列有24、28、36、45、55、60、70、75、90、110、130、150、160、200mm等，英制系列有42、57、86、104以及□42、57、86mm等。再加上每个机座号的电机有不同的铁心叠长，不同的电压、电流和绕组匝数，不同的轴伸和安装尺寸等，其规格品种之复杂可想而知。这种状态对步进电动机产业的发展十分不利。①增加了模具和工装的投资；②生产管理复杂化；③不易形成批量生产，使生产成本增加；④分散了财力和人力不利于产品的完善和改进；⑤配套的驱动器的生产也复杂化，同样不利于发展；⑥也使应用和技术服务复杂化。

    任何一种产品大概都有一个从复杂到简单的发展过程，步进电动机约30年来的发展，也已经逐步形成了自己的主品，在西方国家，可明显看出*大量应用的是定子8极转子50齿的二相混合式步进电动机，其次是定子10极转子50齿的五相混合式步进电动机被认为有较高运行性能指标而广泛用于工业自动化的场合［2］。

    我国步进电动机产品的发展有自己的特点，80年代以前一直以磁阻式步进电动机为主，70年代末形成的系列产品以定子6极转子40齿的三相磁阻式步进电动机为主。另外有定子10极转子100齿的五相磁阻式步进电动机和其他的品种。80年代开始发展混合式步进电动机，也是以定子8极转子50齿的二相（四相）混合式步进电动机为主，1987年开始生产定子10极转子50齿的五相混合式步进电动机，同时还发展了一些不同于国外的产品，例如定子8极转子60个齿的二相（四相）混合式步进电动机；转子100齿的三相、九相混合式步进电动机；转子200齿的五相混合式步进电动机等。这就使得我国步进电动机产品形成特别混杂的局面，对产业的发展很不利。认识到这一点，找出有效的办法来改变这种局面，对步进电机产业的发展是很重要和有利的，本文从技术的角度，探讨加速统一步进电动机产品的途径。

    2　运用微步驱动技术统一步进电动机的相数

    属于增量运动控制器件的步进电动机，在应用微步驱动技术以后，它的分辨率可以提高，在必要时可以很高，达到接近连续运动控制器件的状态，被称为“类伺服”特性，这显然是70年代开始研究微步驱动技术的主要目标。
    微步驱动技术是一种电流波形控制技术，在通常的驱动器中，仅对相绕组的电流进行通断控制，在转子齿数一定的条件下增加相数才能增加电动机的分辨率。例如五相混合式步进电动机比二相混合式步进电动机增加了相数，提高了分辨率，许多运行性能得到提高，成为一个独立的系列产品。采用电流波形控制技术后，二相电动机只要增加电流波形的阶梯数，就可以提高分辨率［2,3］要达到与五相电动机一样的分辨率也很方便。这就给统一步进电动机的相数提供了基础［4］。
    德国BL公司原生产五相混合式步进电动机，1994年他们的五相电动机专利期满以后，推出了新的三相混合式步进电动机系列，是定子6极转子50齿的结构。配套电流型驱动器，每转步数为200、400、1000、2000和2000、4000、10000、20000，可看出它兼有通常二相电机和五相电机的分辨率，还可以在此基础上增高到10倍（十细分）。应该说，这是一种很好的设计方案，它充分运用了电流型驱动技术的功能，让统一的三相电动机系列可以同时适合原有二相和五相电动机的应用场合。

    用三相电动机来取代原来生产的五相电动机，且采用更为普及的三相功率器件，驱动器的成本会下降，同时具有二相电动机的分辨率，适应性加强，从公司的角度来看是很有效益的，可是从整个步进电动机产业的角度，以及从产品发展由复杂到简单这个规律的角度看却不见得*好。因为用该三相系统来取代现有的广泛应用的二相电动机显然是不现实的，因此只能是在步进电动机本来复杂的产品格局中，逐步向以二相混合式步进电动机为主，辅之以五相混合式步进电动机的产品格局发展的过程中，反而增加出一个三相混合式步进电动机系列，至少从总体来看没有前进的感觉。

    如果以二相电动机为基础，采用电流型驱动器，让它同时具有五相电动机的分辨率和其他功能，情况就不一样了，这将是一种*为节省的、*顺乎自然的发展方向。改变分辨率不成问题，要让全部的性能都不低于原有的五相电动机则还有一定的工作要做。

    作者将原生产的86BH250B型二相混合式步进电动机，采用电流型驱动器，作了一些初步的研究，与原有产品90BH550B型五相混合式步进电动机，配以恒总流驱动器的系统相比较。样机实验对比情况如下：

    （1）外型尺寸如图1所示，二种电机轴向长度基本一致，直径二相电机稍小一些。