6ES7515-2FM02-0AB0参数详细
表2列出了IR016与步进电机通电绕组的对应关系，在步进电机正转时，当移位数据信号移到位时。移位寄存器SFT位01600的输出应接通步进电机的A相；移到第二位时，应接通A相和B相；其余如此类推。以A相绕组为例，由表2可知，当辅助继电器01600、01601、01605中任一个接通时(并联关系)，A相通电。移位寄存器每一位的输出信号先驱动与步进电机各相对应的输出继电器，再由输出继电器通过功率放大器驱动步进电机。
表2 IR016与电机通电绕组对应关系
梯形图控制程序如图1所示。工作过程简单描述如下：由输入端00000得电发出启动信号，前沿微分指令DIFU(13)保证移位寄存器SFT(10)指令中移位数据初始信号01600的唯一性。移位寄存器在移位脉冲的作用下顺序左移，实现6位脉冲分配，由输出继电器10000、10001、10002分别去接通步进电机的A、B、C三相。步进电机转速可由移位寄存器SFT的脉冲输入端控制，转向由继电器02603控制。当输入端00001无效时，KEEP(11)指令的置位端02600保证02603得电且保持该状态，电机正转；当00001为ON时，KEEP(11)指令的复位端02601使02603失电而恢复原状态，电机反转。
图1 梯形图
4 结束语
比较步进电机的SCM和PLC的控制方法可知。SCM采用定时器延时，以中断方式输出控制脉冲；PLC采用移位指令和内部特殊继电器，以循环顺序扫描方式输出控制脉冲。SCM采用汇编语言(或C语言)编程，其指令系统的同有格式受硬件结构的限制很大，编写和调试要求具备一定语言程序设计基础；而编写PLC程序，即可以采用语句表(助记符)，又可以采用梯形图，梯形图简单易懂，通过图形编程器容易实现。SCM控制系统设计周期长，一般需要程序扩展，硬件方面需要经过印刷电路板设计等过程；PLC控制系统采用模块化结构，可在线修改控制程序，并实现实时监控，设计周期短。PLC系统扩展灵活，可以在原有控制系统基础上进行功能扩展，能有效降低成本，适应于复杂的工业控制环境。
用SCM和PLC来实现步进电机控制脉冲的产生和分配，可以通过编程在一定范围内自由地设定步进电机的转速，还可以灵活地控制步进电机的运行状态。这两种控制方式都不需要反馈就能对位置或速度进行控制，且位置误差不会积累；用软件编程代替硬件控制，不仅减少了系统设计的工作量，提高了控制系统的可靠性。
引言
随着纺机装备技术进步，步进与伺服电机运动控制系统的应用越来越广泛，其功能多样性和产品可靠性日臻完善，正在逐步取代原来的普通电机。随着可编程控制器技术的日益成熟，将二者完整地结合起来，完成对各种复杂运动的自动控制，实行机电一体化，正在成为一种趋势。步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比,
其速度与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率) 成正比,其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序,便可控制步进电机的输出位移量、速度和方向。步进电机具有较好的控制性能,其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成, 且可获得较高的控制精度,得到了广泛的应用。
2 步进电机脉冲分配器
在可编程控制器plc的应用中，步进电机是常见的被控制对象。步进电机是一种数字控制元件，直接接收脉冲信号，它旋转的角度和转速分别与输入的脉冲数和频率成正比，只要控制输入到其线圈绕组中的脉冲数和脉冲频率就可控制步进电机的转动角度和转速，输入的脉冲还需要经过脉冲分配器分配给步进电机的各个绕组。用plc控制步进电机，脉冲分配器的设计是一个很重要和非常灵活的问题，它可以用硬件组成，也可以用软件组成，本文以松下fp0-c16tplc为例，讨论几种实现步进电机脉冲分配器的方法。
图1 控制原理接线图
用硬件实现步进电机脉冲分配器控制原理接线图如图1所示。由于脉冲分配器是由硬件实现，fp0-c16t只需提供一串脉冲，而fp0系列的plc具有脉冲输出功能和高速计数器(hsc)功能，利用此功能进行控制步进电机非常方便。
图2 控制梯形图
fp0系列各型号的plc的输出端y0或y1都具有脉冲输出功能，其输出脉冲的大频率为10khz。具体输出脉冲频率可以用软件编程，y0或y1输出的脉冲经脉冲分配器把脉冲分配给步进电机的各相绕组，y0或y1接至pulse的输入接点；当达到顶定值时发生中断，使y0或y1的脉冲频率切换至下一参数。y2或y3是方向控制信号。vcc值为5v时，r短路；vcc值为12v时，r＝1kq(≥1/8w)；vcc值为24v时，r=2kq(≥1/8w)。图2是实现这一控制的梯形图。dt100～dt106是存放输出脉冲频率和个数的通用寄存器，梯形图中所给参数是输出脉冲初始频率为500hz，高频率为5000hz，脉冲个数为10000。
3 软件步进电机脉冲分配器设计
3.1 电原理设计
图3 硬件接线图
图3是用软件实现步进电机脉冲分配器plc与步进电机的硬件接线图。步进电机以常见的三相六拍通电方式工作。k0、k1、k2分别是正转、反转及停止控制开关，分别接在plc的输入继电器x0、xl和x2上;plc的输出继电器y0、y1和y2分别接步进电机的三相绕组a、b、c。软件实现脉冲分配的方法很多，这里讨论三种实现方案。
3.2 软件实现方案之一
图4 软件方案1梯形图
梯形图如图4所示。步进电机是以相六拍通电方式工作，即三相绕组的通电顺序是：
正转：a－ab－b－bc－c－ca 反转：a－ac－c－cb－b－ba
该方案中，时钟可以用plc中的定时器设计一个时钟发生器，也可以使用plc中的内部0.01s、0.02s、0.1s、0.2s、1s、2s时钟，它们分别由plc中的特殊内部继电器r9018、r9019、r901a、r901b、r901c、r901d产生，为了方便、在此使用plc中的特殊内部继电器r901a0.1s脉冲继电器作为控制时钟。继电器r0和r1分别在正反转接通；16位移位寄存器(继电器)wr1产生正反转的六个节拍，用移位寄存器的各触点r10～r15与r0、r1进行组合,使输出继电器y0、y1、y2按上述正反转的顺序通电
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］，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流产品，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，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。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，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，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，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。
图1 外形尺寸的对比
（a）86BH250B型 （b）90BH550B型
Fig.1 Comparison of outline dimensions
（2）保持转矩特性如图2所示，二种电机的保持转矩基本相近，在同样额定电流3A时，二相电动机稍大一些。
图2 样机保持转矩实验曲线
（a）86BH250B型 （b）90BH550B型
Fig.2 Measured holding torque of sample motors
（3）牵出转矩特性如图3所示，在较低频段（≤2000pps）,二相电动机的转矩稍高一些，在频率较高时则比五相电动机的
图3 样机牵出特性实验结果
（a）86BH250B型 （b）90BH550B型
Fig.3 Measured pullout torque of sample motors
（4）定位转矩。实测五相电动机TD5=0.1N.m，二相电动机TD2=0.15N.m，为同一数量级。
（5）步距精度［5］。一转范围内步距角的实测结果如图4所示，可看出二种电机步距误差相近。
图4 样机步距角实验曲线
Fig.4 Measured step angle of sample motors
（6）单步响应特性［6,7］。恒流驱动的五相电机半步方式时有明显的轻重步现象；二相电机20状态运行时，有五步一循环的特点，但较为均匀。
（7）振动特性［8］。图5示二相电机初步改进后的振动特性，除了低频和中频段尚有需要改进之处，运行都很平稳。
图5 初步改进后二相20状态振动
特性实测曲线（86BH250B）
Fig.5 Measured vibration characteristic of
two-phase motor operating at twenty logic-states
8）驱动器。二相电动机的驱动器比五相电动机的成本有所降低。
以上对比表明，让86BH250B型二相混合式步进电动机20状态运行时，可以替代90BH550B型五相混合式步进电动机，且有更高的性能价格比。实践表明了能为用户所接受并感到满意，再做一些仔细的完善工作，情况会更好。
3 统一步进电动机齿数的研究
用一个具体例子来说明这个问题：我国在70年代发展了自己的磁阻式步进电动机系列产品，有较好的性能指标。在1983年开始发展经济型数控机床时采用了定子6极转子80个齿的110BF003型磁阻式步进电动机，半步方式运行时步距角为0.75°，为了发展我国的混合式步进电动机产品，不得不设计了一种定子8极转子60齿的110BYG001型（110BH260）二相（四相）混合式步进电动机，安装尺寸与磁阻式电动机一样，性能指标则稍高一些，这种电动机于1986年开始生产后占领了一定的应用市场。它与主流产品110BH250型电动机相差不多，可是又不能替代，制造厂家如果不生产这种产品就不能满足用户的需要，要求用户改变已经定型的整机结构是很难的，制造厂家生产这种电机使规格品种增加，是一种不得已的事情。
微步驱动技术是控制电流波形为正弦阶梯波，一个齿距为一个周期，一个周期内的阶梯数便是通电状态数n1，通常电流波形正负半波对称，n1为偶数步距角，
n1=2k k=2,3,4,5,… （1）
（2）
转子齿数Zr=50的电动机，齿距角θt=7.2°，步距角为
（3）
可见，得不出60齿电动机0.75°/1.5°的步距角。
本文提出一种“分数通电状态数驱动技术”可解决上述困难，仍旧是采用电流型驱动器，应用电流波形控制技术，让电流波形按所要求的步距角变化，并不要求正弦波在一个齿距内有整数个阶梯，只要求在若干个齿距内有整数个阶梯，在有限齿距数范围内形成循环就可以。
仍以上述例子为例，0.75°的步距角，对Zr=50的电动机来说，对应的电角度为
θbe=Zrθb=50×0.75°=37.5°电角度 （4）
只要让二相电动机的电流按照 （5）
的阶梯波形变化时，合成电流或合成转矩的相量随着阶梯（k1值）变化按图6所示相量的顺序变化。可以看出相邻相量间的平角为37.5°电角度，对应的机械角即为0.75°，也就是说，在Zr=50的电动机上，获得与Zr=60电动机一样的步距角，只是一个齿距不是步距角的整倍数。
图6 合成电流或合成转矩的相量随着阶梯（k1值）变化图
Fig.6 Resultant current or torque phase diagram
at different current steps
按照一般的说法，n1称为通电状态数，一般为整数，都是偶数，这里则是一个小数，称为“分数通电状态数驱动技术”。步进电动机的逻辑通电状态必需形成循环，才能保证电动机持续运转，不能以一个齿距为循环周期，以几个齿距为循环周期也不要紧，如上述例子，经五个齿距可形成循环，它的实际通电状态数是五个齿距内的步距数。
可以看出，运用所提出的分数通电状态数驱动技术，按式（5）来设定电流波形，就可以得到任意要求的步距角。只要在有限数的齿距内能形成循环，这种步距角的驱动就能实现。为统一步进电动机的齿数提供了基础。
4 关于磁阻式步进电动机
在国外，混合式步进电动机与磁阻式步进电动机开始时一起发展，已逐步发展成以混合式步进电动机为主流的格局。在我国则不同，一直以磁阻式步进电动机为主，做的工作较多，为广大国内用户所熟悉，混合式步进电动机到80年代后期才逐步发展起来，历史较短，不少人还不十分熟悉它。随着混合式步进电动机和驱动器技术及生产的发展，性能不断提高，成本有所下降，从性能价格比的角度应能为更多的人所接受。要为原有磁阻式电动机用户接受的较大障碍是步距角不兼容。
如前所述，1986年时不得不设计一种转子60齿的二相（四相）混合式电动机，去取代转子80齿的三相磁阻式步进电动机，就是为了达到步距角兼容的目的。我国磁阻式步进电动机以转子40齿的三相为主，用二相50齿的混合式电动机，按照一般微步驱动的概念，做不到步距角的兼容。现在按照所提出的分数通电状态数驱动技术的方法，几乎可以获得所有要求的步距角，问题就不难解决了。
5 结论
（1）步进电动机产品由于结构类型、相数、极数和齿数的不同而规格品种繁杂，是一种发展尚不成熟的现象。向通用型统一的产品方向迈进，有利于技术和生产的发展，符合事物的客观规律。
（2）纵观步进电动机发展的历史及现状，以转子50齿的二相混合式步进电动机为主体，提高它的通用性，逐步尽量多地替代其他相数、转子齿数的混合式步进电动机及磁阻式步进电动机，简化产品结构，是为现实的途径。
（3）电流型驱动技术的发展，为统一混合式电动机的相数提供了基础。初步的实践表明，用二相混合式步进电动机取代五相电动机是切实可行的。
（4）本文提出的分数通电状态数驱动技术，使得转子50齿的二相混合式步进电动机几乎可以按所有要求的任何值的步距角运行，使得与其他转子齿数（如Zr=60）的混合式步进电动机及磁阻式步进电动机的步距角兼容成为可能。