6ES7211-0AA23-0XB0接线方式

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1．步距角和静态步距误差

步距角和的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：

m—电机相数；

z—转子齿数；

k—系数，相邻两次通电相数相同，k＝1；相邻两次通电相数不同，k＝2。

同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。步距误差主要由步进电机步距制造误差，定子和转子间气隙不均匀以及各相电磁转矩不均匀等因素造成。

2．静态转矩与矩角特性

当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻小，转子处在平衡位置不动（θ＝0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩m，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度θ，角度θ称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角θ的关系叫矩角特性，如图4-42所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩大值称为大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（θ＝0）。

交流电机变频调速系统中的关键部件之一就是逆变器，由于调速的要求，逆变器必须具有频率连续可调、以及输出电压连续可调，并与频率保持一定比例关系等功能。

利用脉冲宽度调制逆变器可实现变频也变压。如图所示，因电压的平均值和占空比成正比，在调节频率时，改变输出电压脉冲的占空比，就能实现变频和变压。与图1（a）相比，图1（b）所示电压周期增大（频率降低），而占空比减小，故平均电压降低。

采用pwm方法控制逆变管的通、断时，可获得一组幅值相等、宽度相同的矩形脉冲，改变矩形脉冲的宽度可控制其输出电压，改变调制周期可控制其输出频率，实现变压和变频。因输出电压波形为矩形波，具有许多高次谐波成分。对电机来说，有用的是电压的基波。为了减少谐波影响，提高电机的运行性能，应采用对称的三相正弦波为三相交流电机供电。

正弦波脉宽调制型逆变器（spwm）的输出端可获一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，来近似等效于正弦电压波。spwm脉宽调制波形，如图2。当正弦值为大值时，脉冲的宽度也大，而脉冲的间隔则小。当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大大减少。

图1 脉宽调制的输出电压

图2 spwm脉宽调制波的形成

采用数字电路的spwm逆变器，可采用以软件为基础的控制模式。优点是所需硬件少，灵活性好和智能性强。缺点是需要通过计算确定spwm的脉冲宽度，有一定的延时和响应时间。随着高速度、高精度多功能微处理器、微控制器和spwm专用芯片的发展，采用微机控制的数字化spwm技术已占当今pwm逆变器的主导地位。

spwm变频调速系统，其中各部分的功用：

速度给定器：给定信号，控制频率、电压及正反转。

平稳启动回路：使启动加、减速时间可随机械负载设定，以达到软启动的目的。

函数发生器：在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定，补偿定子电压降的影响。

电压频率变压器：将电压转换为频率，经分频器、环形计数器产生方波，和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路。

电压调节器：产生频率和幅度可调的控制正弦波，送入调制回路，送入调制回路，在调制回路中进行spwm变换，产生三相的脉冲宽度调制信号。在基极回路中输出信号至功率晶体管基极，即对spwm的主回路进行控制，实现对永磁交流的变频调速。

电流检测器：过载保护。

的细分控制从本质上讲是通过对步进电机的定子绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场按某种要求变化，从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量的之间的夹角大小决定了步距角的大小。在电机内产生接近均匀的圆形旋转磁场，各相绕组的合成磁场矢量，这就需要在各相绕相中通以正弦电流。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。三相混合式步进电机的工作原理十分类似于交流永磁同步。其转子上所用永磁磁铁同样是具有高磁密特性的稀土永磁材料，在转子上产生的感应电流对转子磁场的影响可忽略不计。在结构上，它相当于一种多极对数的交流永磁同步电机。由于输入是三相正弦电流，产生的空间磁场呈圆形分布，可以用永磁式同步电机的结构模型分析三相混合式步进电机的转矩特性。

a.电机定子三相绕组完全对称;

b.磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计;

c.激磁电流无动态响应过程;

以上分析表明，对于三相永磁同步电机，当三相绕组输入相差120°的正弦电流时，由于在内部产生圆形旋转磁场，电机的输出转矩为恒值。将交流伺服控制原理应用到三相混合式步进电机驱动系统中，输入的220v交流，经整流后变为直流，再经脉宽调制技术变为三路阶梯式正弦波形电流，它们按固定时序分别流过三路绕组，通过改变驱动器输出正弦电流的频率来改变电机转速，输出的阶梯数确定了每步转过的角度，当角度越小的时候，其阶梯数就越多。当然，步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率(或速度)的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

三相混合式步进电机一般把三相绕组连接成星形或者三角形，按照电路基本定理，三相电流之和为零。即iu+iv+iw =0。通常只需产生两相绕组的给定信号，第三相绕组的给定信号可由其它两相求得。同样，只需要对相应两相绕组的实际电流进行采样，第三相绕组的实际电流可根据式求得。

电机是机械十字滑台的动力源，电机通过联轴器与滚珠丝杠相联接，带动丝杠一起旋转，丝杠螺母将旋转运动转换为直线运动，驱动移动平台在直线导轨副上做直线往复运动。

通过伺服电机安装板的过度安装在电机支座上，电机与联轴器组件主要由伺服电机、伺服电机安装板、联轴器和紧固螺钉等组成。如下图所示：

联轴器是用来连接不同机构中的两根轴(主动轴和从动轴)使之共同旋转以传递扔矩的机械零件。在本任务中采用的是梅花形弹性联轴器，它由两个金属爪盘和一个弹性体组成，如下图所示。

增量式编码器是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数，以此来表示转过的角位移量。增量式光电编码器结构示意图如图1所示。

图1增量式光电码盘结构示意图

光电码盘与转轴连在一起。码盘可用玻璃材料制成，表面镀上一层不透光的金属铬，在边缘制成向心的透光狭缝。透光狭缝在码盘圆周上等分，数量从几百条到几千条不等。这样，整个码盘圆周上就被等分成n个透光的槽。增量式光电码盘也可用不锈钢薄板制成，在圆周边缘切割出均匀分布的透光槽。

PLC与继电接触器控制的重要区别之一就是工作方式不同。继电接触器控制系统是按"并行"方式工作的，也就是说是按执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个电器动作。而PLC是以"串行"方式工作的，PLC在循环执行程序时，是按照语句的书写顺序自上而下进行逻辑运算，而前面逻辑运算的结果会影响后面语句的逻辑运算结果。梯形图编程时，各语句的位置也会对控制功能产生关键影响。例如：

图1 程序1
    程序1调试结果：X0接通3次，Y3接通，X0再接通1次，Y3断开。

图2 程序2
    程序2程序调试结果．X0接通3次，Y3接通瞬间即断开。
    上面两个程序中，输出Y3、计数器CTl02及内部通用继电器R0前面的逻辑条件均相同，仅仅是计数器CTl02所在语句位置发生了变化，而两段程序的运行结果就截然不同。这是因为CTl02对输出Y3的影响方式发生了变化。执行段程序时，将判断输出Y3的状态，再判断CTl02的状态，CTl02的状态变化只能在下一个扫描周期对Y3产生影响；而执行第二段程序时，将判断CTl02的状态，再判断输出Y3的状态，CTl02的状态变化将在该扫描周期直接影响Y3的状态。
从以上讨论可以得出，由于PLC采用"串行"工作方式，是同一元件，在梯形图中所处的位置不同，其工作状态也会有所不同，在利用梯形图进行控制程序编制时，应对控制任务进行充分分析，合理安排各编程元件的位置，才能够更为准确地实现控制。

1.外部输入信号的采集
    PLC的外部设备主要是指控制系统中的输入输出设备，其中输人设备是对系统发出各种控制信号的主令电器，在编写控制程序时必须注意外部输入设备使用的是常开还是常闭触点，并以此为基础进行程序编制。否则易出现控制错误。
    在PLC内部存储器中有专用于输入状态存储的输入继电器区，各输入设备（开关、按钮、行程开关或传感器信号）的状态经由输入接口电路存储在该区域内，每个输入继电器可存储一个输入设备状态。PLC中使用的"继电器"并非实体继电器，而是"软继电器"，可提供无数个常开、常闭触点用于编程。每个"软继电器"仅对应PLC存储单元中的一位（bit），该位状态为"1"，表示该"软继电器线圈"通电，则程序中所有该继电器的触点都动作。输入继电器作为PLC接收外部主令信号的器件，通过接线与外部输入设备相联系，其"线圈"状态只能由外部输入信号驱动。输入信号的采集工作示意图如图1。
输入继电器线圈其状态取决于外部设备状态

图1  PLC输入信号采集示意图
   图1中，输入设备选用的是按钮SB0的常闭触点，输入继电器X0的线圈状态取决于SB0的状态。该按钮未按下时，输入继电器X0线圈状态为"1"通电状态，程序中所有X0触点均动作，即常开触点接通，常闭触点断开；若按下该按钮，则输入继电器X0线圈状态为"0"断电状态，程序中所有X0触点均恢复常态。如果输入继电器连接的输入设备是按钮SB0的常开触点，则情况恰好在该按钮未按下时，输入继电器X0线圈状态为"0"断电状态，程序中所有X0触点均不动作；若按下该按钮，输入继电器X0线圈状态为"1"通电状态，程序中所有X0触点均动作。
    2. 停车按钮使用常闭型
   由于PLC在运行程序判别触点通断状态时，只取决于其内存中输入继电器线圈的状态，并不直接识别外部设备，编程时，外部设备的选用与程序中的触点类型密切相关。这是一个在对照电气控制原理图进行PLC编程时易出现的问题。典型的例子是基本控制--"起保停控制"中的停车控制。

图2 "起保停控制"电气原理图
   图2为"起保停控制"电气原理图，在该系统中，按钮SB0用于停车控制，使用其常闭触点串联于控制线路。SBl为起动按钮，使用其常开触点。若使用相同的设备（即停车SB0用常闭触点，起动SBl用常开触点），利用PLC进行该控制，则需编程梯形图程序（图3）：

图3 "起保停控制"梯形图程序（停车按钮使用常闭触点）
I/O分配：SB0--X0，SBl--Xl，输出Y0
   该梯形图中停车信号X0使用的是常开触点串联在控制线路中，这是因为外部停车设备选取按钮常闭触点所致，不操作该按钮，则输出Y0正常接通，若按下该按钮，输出Y0断电。
    3. 停车按钮使用常开型
   若希望编制出符合我们平时阅读习惯的梯形图程序（图4），则在选用外部停车设备时需使用按钮SB0的常开触点与X0相连。

图4 "起保停控制"梯形图程序（停车按钮使用常开触点）
I/O分配：SB0--X0，SBl--Xl，输出Y0
   图3、4梯形图完成相同的控制功能，程序中停车信号X0使用的触点类型却不相同，其原因就是连接在输入继电器X0上的外部停车按钮触点类型选用不同。图4所示梯形图程序更加符合我们的阅读习惯，也更易分析其逻辑控制功能，在PLC构成控制系统中，外部开关、按钮无论用于起动还是停车，一般都选用常开型，这是一个在使用PLC时需要格外注意的问题