西门子模块6ES7222-1BD22-0XA0货期较快

1 引言

步进作为伺服控制器件，它的运行精度是人们十分关心的一个问题。步进电动机常常运行在开环系统中，没有位置检测元件及反馈控制，因此运行的精度主要取决于步进电动机本身及机械传动系统。步进电动机应用系统的设计者，往往对步进电动机的步距角精度提出要求，以期得到较好的运行精度。事实上，这对于负载转矩十分小的系统来说是正确的；而对于负载转矩较大的系统，步距角误差很可能不是十分重要的，失调角的影响可能更大一些，可是常常被忽视了。为此有必要对这个问题作一些基础的说明，并讨论一些与失调角有关的精度问题，对步进电动机应用系统的设汁者，有一定的参考价值。

2 失调角[1]

步进电动机在某一通电状态下，转子不带负载转矩时有一定的稳定平衡位置，如图la中的0点，可用图lb说明这时转子的位置。转子受到作用转矩tl时，便偏离稳定平衡点，转子磁极中心线滞后于定子磁极中心，可用图lc表示。tl不超过大静转矩tk时，将在一新的位置达到平衡，如图la中的a。a点偏离0点的角度δ便是该运行

情况下的失调角。可见，失调角的值取决于通电状态、负载转矩的大小及矩角特性的波形。要知道它的jingque值不是一件容易的事情，但是对它作一些估算和定性的分析是不难的。常常假定矩角特性是正弦波曲线。即

3 转角失动量

在控制系统中，步进电动机作为执行元件，通过传动机构带动控制对象运动，例如中的刀具或工件。传动机构和控制对象都是电动机的负载，在工作过程中运动或静止时，都会表现出一定的负载转矩，因此也就引起相应的失调角。根据不同情况，负载转矩可能是恒定的，也可能是变化的；可能相当大，也可能很小；还可能是一个不完全确定的值。以为例，对控制刀具进给的步进电动机，在切削量不同时，所承受的负载转矩便不同，重切时有较大的负载，如在大型平面绘图仪中，步进电动机带动绘图头运动系气浮支撑，运动时摩擦阻力很小，对电动机来说可忽略不计，相应地它的失调角也就接近于零；对于控制数控线切割机床工作台运动的这类负载的电动机，主要承受传动机构的摩擦转矩，它对电动机有一定的不确定性，但在正、负大值之间。

负载转矩引起的失调角，使步进电动机开环运行时有可能失去一定的运动量(角位移)。例如，设步进电动机带动一工作台负载，负载的转矩特性如图2a所示。设在准备状态时，转子恰好在0点，对应的失调角为零。给电动机加一系列控制脉冲信号，定子磁场转过了θ角，或者对应的稳定平衡点转过了θ角，这时转子转过的角度很可能是θ’，比θ差了一个失调角δ(δ为负值)。

可见，转子似乎转到后，少走了δ角，事实上这部分少转过的角度，在运动的一开始就失去了。在运动刚开始，θ不大，即定子磁极中心线与转子磁极中心线拉开的距离小于δ时，电磁转矩的值比t∫小，转子便不会动，直到θ的值超过δ为止。

同样，当电动机正向转过θ角后，又反向转回θ角，即定子磁极中心线退回到原来位置时，由于反向运动时负载转矩也反向，转子仍产生滞后于运动方向的失调角，如图2c所示。不难看出，电动机反走时转角失动量为2δ。与前相似，失动量是在反转开始阶段产生的。因为本来超前于转子δ角的定子磁极中心线，反转运动刚一开始，变成滞后于转子δ角。只有当定子磁极转过2δ时，产生的电磁转矩才足以与t∫平衡，能带动转子运动。所以，只要反转运行，不论行程是多少，都可能产生这样的转角失动量(θl)

4 失动量与通电方式的关系

转角失动量由负载对应的失调角引起，失调角的极限值约为(电弧度)或90°(电角度)，与通电方式没有直接的关系。如果讨论执行机构的失动量，就不一样了。如执行机构运动的脉冲当量为△s，而电动机_个逻辑通电循环有m1种通电状态。由于电动机经m1步转过一个齿距角，失调角的极限值(电弧度)对应于步，它对应的执行机构的线位移为

正反运动一次，由负载失调角造成的失动量，其大极限值不超过上述值的2倍，即

例如，三相反应式步进电动机，半步方式即三相六拍运行时

从精度的角度来看，已是一个可观的数量。当然，实际系统在定位时，传动系统表现出的负载转矩远小于选用步进电动机的大静转矩，因此失动量也远小于式(11)所示的极限值(sl)max。但是可看出，越是逻辑通电状态数(m1)多的电动机，越应引起注意。

5 微步驱动技术在开环系统中应用的局限性

以上分析表明，由失调角引起的失动量，随着电动机运行拍数的增加而增大。通常步进电动机的运行拍数主要取决于相数，不是很大的数值。但是在步进电动机采用微步驱动技术时，运行拍数就几乎不受限制了，m1的值可达到数以千计，失调角和失动量对应的脉冲当量数可能相当可观。

现举例对比说明。设有一大型精密工作台，用步进电动机通过滚珠丝杠传动，滚珠丝杠的螺距为4mm。要求步进电动机与丝杠直接连接，中间不加减速齿轮，脉冲当量为△s=0.001mm。即要求每转4000步的步进电动机。选用步进电动机可有二种不同的方案。①采用五相混合式步进电动机90byg550a，它的大静转矩tk=2n·m，步距角θb=o.36。(4-5通电)。让它四细分运行，步距角细分后为θ’b=o.o9°，即五相八十拍运行，m1=80[2]；②采用五相混合式步进电动机90byg5200a(杭州哈杭电伺服技术研

方案(1)的失动量大得多，再加上其他因素的影响，失动量可能超差，不满足使用的要求。

以上二种方案中的步进电动机，它们的尺寸、转矩几乎一样，运行时的分辨率也相同。但是后者转子有较多的齿数(zr=200)，因而有较小的步距角，前者则转子齿数较少(zr=50)，靠电路细分(微步技术)获得同样小的步距角。这二种系统似乎有相同的性能和功能，但事实上不一样，后者具有更大的“刚度”，即加同样负载时，机械失调角小(虽然电危度栩同)。

6结论

微步驱动技术，如果仅仅用来提高电动机运转的平稳性，那末可无限地细分，直到它的电流波形趋近于连续变化。如果用在闭环控制系统中，根据位置检测来定位也一样。但是，如果应用在开环系统中，要求足够的定位精度时，那就有相当的局限性，主要可应用在负载转矩几乎为零或很小的场合，或者反过来讲，在这种应用场合下，电动机的带载能力很小，并不是电动机带不动负载，而是说负载增大时很容易引起超差而受到限制。

一概述
在超级市场、公共建筑、银行、医院等入口，经常使用自动门控制系统。早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，已逐渐被淘汰。PLC控制自动门由于具有故障率低、可靠性高、维修方便等优点，因而得到广泛的应用。

二自动门控制的基本要求
    1 有人接近时，门应自动打开。
    2 门打开后，应保持开状态，直到门的通道上已无任何人为止。
    3 如门的通道上已无任何人，门必须在很短时间内自动关闭。
三自动门控制的增强功能
    为了改进控制功能和增强用户的友好性，可对自动门控制增加以下功能。
    1 连接附加控制开关：开门—自动—关门。
    2 连接峰鸣器以提示什么时候门将要关闭。
    3 可根据时间或方向将门打开。例如只在商店营业时间开门，在商店不营业时，只有从内往外走时，门才能打开。
四 PLC选型及程序设计
    我们选用德国西门子公司生产的LOGO！230RC通用逻辑控制模块。该控制模块功能齐全，使用方便灵活，性能可靠，可谓物美价廉。
    根据前面提到的自动门工作过程，可以很方便地完成LOGO！接线及编程。
    1 LOGO！接线图（如图2）

       K1               开门主接触器
       K2               关门主接触器
       S1 （常闭触点）关门限位开关
       S2 （常闭触点）开门限位开关
       S3               控制开关（开门—自动—关门）
       B1 （常开触点）门外的红外线动作检测器
       B2 （常开触点）门内的红外线动作检测器
    2 LOGO！的功能块图
    3 动作检测器
       在营业时间，如果有人从外向内（或从内向外）通过大门，则动作检测器B1（或B2）闭合，电机将门打开。在商店关门时间，动作检测器B2能通过电机继续开门1小时，以便使顾客有时间离开商店；而动作检测器B1不再控制电机开门，这样外面的人就不能再进入商店了。
    4 开门控制
       开门控制视控制开关S3的接通位置分为两种情况。当S3拨向开门位置时（15闭合），Q1输出控制电机，使门打开并一直处于开状态。当S3拨向自动位置时（15、16均断开），若动作检测器（B1或B2）检测到已有人接近门且门尚未完全打开（限位开关S2没有断开），则Q1输出控制电机开门。
    5 关门控制
       关门控制视控制开关S3的接通位置分为两种情况。当S3拨向关门位置时（16闭合），Q2输出控制电机，使门关闭并一直处于关状态。当S3拨向自动位置时（15、16均断开），若动作检测器（B1或B2）检测到已无人接近门且门尚未完全关闭（限位开关S1没有断开），则Q2输出控制电机关门。
    6 蜂鸣器控制
       当门将要关闭时，Q3输出，蜂鸣器响一秒钟以提示行人。

五结束语
采用LOGO！控制自动门，可以充分发挥PLC高可靠性和抗干扰性特点，外部接线简单、灵活，维修方便，是一种行之有效的好方法。

1 引言

步进采用微步驱动技术，除了提高电动机的分辨率以外，很重要的目的是为了提高其转动的均匀性。常规的步进电动机系统在低速运行时，有明显的步进感。把一整步分成很多小步，转动的均匀性自然要提高，但是，微步驱动的步进电动机系统其角速度稳定度有何特点，与细分数有什么关系，角速度稳定度能达到什么水平，还受哪些因素的影响和限制等一系列问题，有必要搞清楚。以利于应用系统的设计者正确采用步进电动机的微步驱动技术，同时也是设计制造者所需要了解和掌握的。

为清楚起见，并且能有量的概念，文中给出一个微步驱动系统的实例。

2频域划分及角速度波动的特点

步进电动机的平均转速与控制脉冲频率(fcp)成正比，与逻辑通电状态数(m)及转子齿数(zr)成反比，即

平均转速：

或平均角速度：

式中m——整步方式的逻辑通电状态数，

通常等于相数

n1——整步包含的微步数，即细分数

步进电动机运行时，根据其运动形式的特点，可将整个频域分成若干频段。典型的划分是将整个频域分为极低频、低频和高频。

2．1极低频

即控制脉冲的周期或间隔时间大于停止时间(ts)的频域。电动机每走一步都是单步响应过程，电动机按其自然频率振荡可衰减到静止。按式(2)，电动机的平均角速度很小，但是在自由振荡过程中大角速度可以达到相当大的值。实际上自由振荡过程中若不计衰减其大角速度的值为：

可见，在该频域内电动机的角速度波动很大，在其正的大值和负的大值之间变化。

2．2低频

在这个频段内，控制脉冲的间隔时间比停止时间小，单步的角速度振荡不能衰减到零。但是控制脉冲的间隔时间比自由振荡周期的要长，所以一般有过冲或超调。在这个频段内起动电动机时，第二步的初始条件比较复杂，在不利的情况下可能产生明显的振荡，包括

fcp=f0(6)

这是通常所说的低频共振点。

2．3高频

在这个频段内，控制脉冲的周期小于自由振荡周期的1／4，所以在这一频段内电动机起动时，步的角位移肯定不会超过一个步距角，即产生滞后的动态误差。电动机连续稳态运行时，也就不会有步进感觉。于是把

fcp=f0(8)

作为步进电动机进入高频运行频域的分界线。也就是步进电动机进入比较连续平稳运行域的分界线。由该频率决定的电动机的平均角速度为：

以一台典型的四相混合式步进电动机为

例，它的相数，m=4，转子齿数zr=50，如自然频率f0=100hz，在通常整步方式下运行，代入式(9)得：

就是说，这种典型的步进电动机系统，只有在转速高于120r／min时才进入连续平稳运行区。为了让这台电动机在第100r／min或更低的转速平稳运行，需采用微步驱动技术，细分数愈大，按式(9)进入连续平稳运行的平均速度愈低。若上述电动机取细分数n1=1024，则：

即转速降到8．5min转lr仍属连续平稳运行域。另外，即使在极低频不连续运行域，角速度的波动也随着细分数的增大而显著减小，这时角速度波动的极限值由式(4)表示，它与步距角成正比，或者说与细分数成反比。

3实验研究

实验装置是一套角速度测试系统，其框图如图1所示。

被试电动机是由哈杭电伺服技术研究所研制，用于微步驱动系统，该电机为68byg2102型二相混合式步进电动机。基本技术数据为，转子齿数zr=102，相绕组电阻r=50ω，静态相电流i=0．3a，保持转矩tk≥0．6nm。所配驱动器也是哈杭所研制的二相电动机微步驱动器，细分数可变，nl=1，2，4，……，526，1024。

图2表示一组角速度波形的测试结果，测试时保持电动机的平均角速度不变，为250ms走n1微步，就是说0．25s走一整步或1／4齿距，平均角速度的值为：

图2a为极低频情况下角速度波形的示例。图中可以看出，角速度自由振荡的周期大

约为，t0=5ms，所以其自然频率为：

曲线表明自由振荡的停止时间大约为

ts=40ms。图la对应的是nl=4，fcp=4nl=16．

属于极柢频域。曲线上可以看出角速度大值达：

=56 rad／s(电角度)=0·549 rad／s约为平均角速度的9倍。

图2b对应于，nl=32，fcp=128脉冲／s，

属于低频频域。角速度不会衰减到静止，但仍有较明显的振荡特征。

图2c和图2d分别对应于，nl=256，fcp=1 024脉冲／s和nl=1 024，fcp=4 096脉冲／s，都属于高频频域。电动机进入连续平稳运行域，角速度波形中没有自由振荡波动的影响。应指出的是，图中曲线显示的小的波动是测试系统不完善造成的，它具有明显的工频干扰的特征。不计这些工频干扰讯号，可看出角速度也有一些波动，在一整步范围内大约变化一个周期，即对于一个齿距的变化周期呈4次谐波的特征。这时角速度波动的值甚小，在所示的例子中：

≈7．5 rad／s(电角度)一o．073 5rad/s