西门子模块6ES7221-1EF22-0XA0货期较快

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1  引言

   核废料泛指在核燃料生产、加工和核反应堆用过的不再需要的并具有放射性的废料。也专指核反应堆用过的乏燃料，经后处理回收钚239等可利用的核材料后，余下的不再需要的并具有放射性的废料。核废料按物理状态可分为固体、液体和气体3种。    本文项目涉及的是基于台达机电自动化技术的固体废料的上下料和出料过程的物流控制系统解决方案。

2  系统描述

  此系统主要运用与物料的传送，是全输送线的一部分，用于上下料和出料过程。

  用了人机界面自动显示系统，对输送全过程及各个部位的工作是否正常工作进行监视，并自动显示故障类型及故障点，使整个系统控制做到微型化，系统做到多功能化、柔性化、智能化，安全、可靠、低价、易于操作。输送系统工程中，由于PLC技术的采用，实现整个系统的操作监控都的人机界面（触模屏上）远程监控。系统在人机界面指令开关来完成。在自动状态下，通过PLC控制可将输送站的运动控制系统自动启动，控制电力网的供电能力，停机时相反减小对电力网的冲击，并保证停机时能送出后一批物料。此外，在人机界面画面，在该画面上能自动统计显示输送站生产产量及总产量，加上“动态流程”画面均可作为“报警界面”使用，既保证了在无故障时，该画面能监视整个生产过程的动态状况，使操作人员一目了然，又保证在系统出现故障时显示故障类型及故障点，便于维修人员及时进行抢修。较好地解决了传统输送系统效率低、不便对过程进行管理控制、故障维修困难、延误时间长等缺点。输送站门控界面如图1所示。

  图1 输送站门控界面

3. 系统设计

3.1 系统原理结构设计

  控制系统选用中达全系产品，系统配型为：PLC平台选用台达DVP64EH00R2（主机）+2*DVP08HN11R2（数字量扩展）+DVP04AD-H2（模拟量扩展）+4*DVP01HC-H2（高速计数扩展）+2*01PU-H2（定位模块）+AE10THTD（人机界面）+8*VFD-VE+8*PG01O（编码器反馈卡）。

  因为每个电机的位置都需要采集，所有编码器信号都需输入PLC。64EH主机自带4路高速计数，其它信号由4个DVP01HC-H2（高速计数扩展）模块负责。变频器带电机工作在矢量闭环模式，使得控制。AE10THTD人机界面拥有三个通讯接口，COM1以232方式接入PLC，COM2与COM3组合在一起成为一个9 pin口与8个变频器直接通讯，通过对变频器的工作状态读取和修改监控系统运动状态。

  系统原理结构如图2所示。开关量信号系统如图3所示。

图2 系统原理结构

图3 开关量信号系统

3.2 人机界面设计

  台达触摸屏AE10THTD 为65536色屏，可对画面色彩和运动状态作各种渲染。64K的配方空间可以适用多种复杂需求，可以解决PLC时停电保持区不够和作程序不便利的现象。

  图4为主控页面。当条件允许满足 内箱运动到指定位置即低位，是否到低位由红外开关检测，分别装在内箱的四个角上，检测信号进入模拟量模块04AD，这样也用来判断箱子下来时候是否平直。到低位之后气缸齿合，相应门竖直后，吊具可以带上物件到指定位置，然后进行回复运动。因为在可能传送一些带辐射的物料，所以在传送过程也频繁的开关门，运动过程在一个密封罩内进行。

  图4 输送站主控页面

3.3 门控系统设计

   输送站在传送运行过程中，门的运动控制是项目关键。根据图5所示门控结构，门的移动过程，从低水平位到竖直过程即为打开过程。主门靠三个电机（主3，主1，主2）运动来实现开关。如图门的三个位置分别为低水平位，升轨位，竖直位。在低水平位为关门，主1，主2，主3先同步运动到升轨位，然后主1，主2停下，主3继续向上运动把门拖到竖直，这时为开门。关门过程为：主3拉门到升轨位，然后主1，主2，主3同步运动到低水平位，关门结束。下图为门的独立操作画面。门的开关过程用到了VE变频器的定位和同步功能，主3的运动靠定位模块01PU控制，主1 主2分别对主3做跟随或脱离，充分展示了高性能矢量变频器VE的定位和同步优势。

  调具和内箱的升降VE的闭环控制，做定点控制，类似电梯运动，体现了变频器的启动高转矩特性。

图5 门控结构

4  结束语

   台达机电产品在核废料输送站上整合解决方案，拓展了台达机电产品领域，提升了中达在用户心目中的形象。实际上，要抓住客户关键在于给客户提供完整的解决方案，为客户解决实际问题，不断满足客户的需求，持续改善，才能使客户成为长久的忠实客户。

l引言

能方便地进行速度与角度控制，使其在现代自动控制方面占有越来越重要的地位。即使在开环状态下，它也能实现较高精度的位置控制。然而，步进电机在使用时，其可控角是以步为单位的，也就是说，角度是跳跃式变化的；而且由于受到加工工艺的影响，一个步长一般在1度左右，每个步长也并非完全相等，因而在精度要求较高的场合，就要求对步进电机转角误差有一定的认识，以及采取相应的提高精度的措施。

2误差的分类

在步进电机的使用中，所产生的转角误差可以分成两大类，一类与步进电机直接有关；而另外一类不仅与步进电机本身有关，还与驱动方式有关。

2.1不积累误差

不积累误差也叫静态步距角误差，指在空载条件下，步进电机的实际运行角度与理论运行角度之间的差别。为了分析方便，在不积累误差中不考虑摩擦力的影响，它与驱动电流也没有任何关系。对于一个质量较高的电机，这个误差一般在57左右。

不同步进电机的不积累误差也是不同的。对于一个特定的电机而言，其不积累误差一般是固定的。原理上可以通过预先测量这些误差，然后通过一定的补偿，以提高精度。但实际上．必须时刻知道步进电机的确切运行位置（也就是运行到哪一步），而要得到这个信息，有两个手段，一是通过其它位置测知这个位置；一是设置一记忆电路，能时刻记住步进电机的位置。然而这样做的结果是增大了电路的复杂性。

由于加工上的原因，步进电机在运行整拍时相互之间的角度间隔误差保持较小的值，因此在要求较高步距精度的时候，可以考虑采用整拍运行方式。

步进电机在整转运行时其不积累误差理论上永远为零，因此在高精度驱动中，可以考虑采用整转运行方案。此时，失调角误差或回滞误差是大的误差源。

2.2失调角误差

失调角误差也叫负载角误差，指步进电机在驱动负载的条件下，为了产生一定的负载力矩，步进电机需产生一个失调角θ。根据理论计算，对于一个步距角为1.5度的三相步进电机，由于负载力矩丁而引起的角度变化为：

可见，为了得到较高的精度，则必须驱动较低的负载。

2.3回滞误差

如果加在步进电机上的负载力矩改变方向，则所产生的失调角与原来的相反。因此，即使负载保持恒定（包括摩擦力），并假设电机无任何不积累误差，那么由于电机可能的正、反方向运行，也会产生一个相当大的角度误差。

为了消除回滞误差而提高精度，反向驱动时，可多运行一定的步数，然后返回，使负载力矩保持一个方向。

2.4重复误差

在负载恒定的条件下，步进电机朝原来运动方向的反方向运转”步后再前进行步，它的起始位置与终止位置有差别。这个误差的来源比较复杂。_般在几角秒之内，典型值为±0. 0014。。因此，在大多数场合下是可以忽略不计的。

3通电状态对误差的影响

单相通电状态比双相（多相）通电状态的精度要高一些。这主要是由于多相通电时空载步距角将与两相绕组中的电流比有关，改变每一相电流的大小都将影响到步距角精度。在无稳流电路的情况下，这个变化有可能是相当大的。

以三相步进电机为例。附图中，设由a，b两相通电所产生的力矩分别为ta、tu，则有：

然而，对于单相通电，在负载为零的情况下，转子的定位位置与电流的大小无关。

4细分引起的误差

步进电机的步距角一般在1度左右，有时需要比这个值小得多的步距角，可采用细分技术。采用细分技术只能提高步进电机的分辨率，并没有提高其精度。

对于一般的驱动电路，细分后还会带来一些误差。这些误差主要与驱动有关。

4.1电压失调误差

对于细分控制的驱动电路，当把一相绕组中的电流关断时，绕组中的电流理论上应为零值。然而，对于具有电流反馈环的驱动电路，由于放大电路的失调，绕组中实际通过的电流波形是有一定区别的。当控制输入为零时，实际输出可能并非为零，在这个电流的作用下，步进电机的转子将会产生一个失调角。达种失调角在用普通驱动电路驱动时也是存在的，只是较小而已。因此，对于精密驱动，应该设置失调电压调整装置，以使失调电流尽可能小。

4.2电流增益误差

在驱动负载时，静态失调角是负载力矩与大转矩的函数，也就是负载力矩与相电流的函数。因此，当各相电流增益不同时，所产生的静态失调角也将随着角度的变化而变化。因此，保持恒定的电流增益是提高驱动精度的一种手段。值得注意的是，由于电机电枢绕组参数可能相互之间有一定的差别，因此这里所提的增益恒定是一个综合性指标。

电流增益误差对微动步距角误差的影响比较大。小的电流增益误差可以改善微动步距角误差。

失调角误差、电流增益误差等还会对电机的运行特性有一定的影响，带来一定程度的共振。在实际使用时，也可以利用这一性质来调节失调电压及电流。保证电机在整个运行区间都能平稳的工作，也反映了上述误差已减至小。

4.3微动角误差

通过细分可以提高步距分辨率。理论上若把一步细分成n等分，则步距角可以减小到原来的以分之一。实际上，根据电机制造工艺、细分电路的不同，实际微步步距并非等分，可能有很大的差别。在具有反馈环的控制系统中，要充分考虑这种不均匀性，以免引起系统的振荡。

细分电路主要用在步进电机的低速运行场合，以提高其运行特性，或者用在具有角度反馈环的闭环控制系统中，以提高精度。采用细分电路后，无疑使步进电机的低速运行特性或在共振颇率附近的运行特性得到提高，而在开环系统中使用这一技术的大理由就是提高步进电机的稳定性，而并非是为了提高其精度。另外，这种电路也无疑限制了电机的高速运行。

在开环系统中，细分技术并没有提高精度，由于步进电机的整步不积累误差是不变的，因而无论怎样细分，后的精度是受这个误差限制的。对于一个步距精度为5’的电机，即使采用细分，其定位精度好时也只能是5。

采用细分后，对两相双极型混合式步进电机，其驱动电流波形为正余弦形；而对于反应式步进电机，理想的驱动电流波形为一谐波较少的阶梯波。合适的细分波形不但可以提高角度分辨率，而且可以提高步进电机的运行特性。

5结语

在现代的一些精密位置控制系统中，步进电机得到了广泛的应用。为了保证整个系统可靠地工作，对步进电机产生的角度误差来源应有一定的认识。单方面追求小的不积累误差并不能从实质上提高系统的精度，只能提高成本，因为通过文中的分析可以看到，可能一个较小的负载力矩就会产生与之相当的角度误差。在一些场合，技巧也是特别重要的。单相通电方式、整步运行方式、整转运行方式等都能在一定程度上改善其精度。

细分能够提供高于步距角大得多的分辨率，然而在开环控制中，很难得到写之相应的精度。这时之所以要使用细分，完全是为了提高其低频运行特性（由于速度上的原因，在高频时很少采用）。为了得到具有分辨率水平的精度，必须采用匹配精度的位置传感器，组成一闭环系统，这无疑增加了电路的复杂性，也降低了可靠性。

1引言

步进的基本特性，如牵出特性、牵入特性、保持转矩特性及矩角特性等，都较为大家所熟悉。但是步进电动机还有一项较为特殊但很为重要的特性——振动特性，尚较为生疏，缺乏对它的系统完整的认识，这一方面可能是由于对振动特性影响的因素很多，较难掌握其规律性；一方面由于对振动特性定量研究的方法和手段不完善。

作者建立的振动特性测试系统[1]，为实验研究步进电动机系统的振动特性提供了手段，进而建立了步进电动机系统振动特性的仿真模型和方法[2]，解决了对振动特性的定量分析和计算，本文用实验和仿真的方法系统地分析和介绍不同的参数对振动特性的影响，有利于对振动特性进一步了解和掌握，对设计、制造和应用系统的工作者都是必要的。

为使所研究的结果有现实意义和代表性，本文的研究结合实际的系统进行，实际系统由应用为广泛的二相混合式步进电动机和近代电流型驱动器组成。

2振动特性的一般说明

振动特性用步进电动机转子角速度波动的振幅与控制脉冲频率的关系表示，是衡量电动机运行平稳性的重要特性，振动特性的特点是在不同的频域会出现一些峰值点和振幅增大的区间，前者是某一谐波转矩的频率与固有频率相一致的谐振点；后者则属于零阻尼或负阻尼状态的不稳定区。

图1表示实测的典型的振动特性，被测步进电动机是一台86bh250b型二相混合式步进电动机，基本技术数据为：相绕组电阻r=1.2ω，电感l=10. 0mh，转子转动惯量j=2.4×10-4kg．，旋转电势系数ke=0. 028 6v/(rad/s)，阻尼系数p=l.4×10-4nm/(rad/s)，额定相电流1= 3a;保持转矩tk≥5nm，定位转矩to=0.15nm，转子齿数z= 50，配套的电流控制型驱动器通电状态数可以为m=1、4、8、10或20，功放级电压实验时为30v。

2.1频域的划分

步进电动机有自己的固有频率或自然频率，工程上用下式估算：

将被试电机的数据代人为：

习惯上把fcp=fo附近及以下的频域称为低频段；高频段的划定不是根据频率的值，通常以fcp=mifo附近及以上的频域称为高频段，以上二个频域之间称为中频段。

以图la的特性为例，fo≈160脉冲／s，m1=20，大体上的划分可认为，200脉冲／s以下为低频段，3 000脉冲／s以上为高频段，200～3 000脉冲／s之间称为中频段。图la的特性按频段划分可以看出，在低频段fcp=160脉冲／s处有一峰值，这就是通常所说的低频谐振点；中频段在fcp=400脉冲／s和800脉冲处有谐振点，且fy=5fo处的振幅较高，比较突出；高频段在fe=3 200脉冲／s附近有一振荡区，在fp>;3 600脉冲／s处有较明显的不稳定区。

2.2基本电磁周期

是在不同频率输入脉冲的控制下，按一定的逻辑状态循环通电而运转的，因此存在着二种基本电磁周期，其一是拉制脉冲频率fcp的倒数，即控制脉冲周期：

另一是以通电逻辑循环为周期的电磁系统基波周期，如果电动机的逻辑通电状态数为m1，则有：

电机绕组电压、电流的基波频率为：

相应地对图la振动特性上的谐振点有二种提法，例如fcp=160脉冲／s处的谐振点，对于控制脉冲周期的激扰，是它的基波频率与固有频率相一致；对于基本电磁周期，则是它的m1=20次谐波频率与固有频率相一致，同样，fcp= 800脉冲／s处的谐振点，对于控制脉冲周期是吉次的次谐波振荡，而对于基本电磁周期则是4次谐波的振荡，两种出发点都可以，哪一种能较直观地阐明振荡的机理就从哪一种角度去提出。

3通电状态数的影响

步进电动机是在不同频率的输入脉冲控 一台电动机，除了通电状态数不同以外，其他驱动条件也都在一样情况下测出。图lb是整步运行、步距角大、分辨率低的情况，表现出较严重的低频谐振现象，在fcp=fo(160脉冲／s)处有较突出的谐振点，在fep处也有明显的谐振点。图1a为20状态运行，提高了分辨率，低频段的谐振现象不明显。仍有一谐振点，但角速度振动的峰值不大，不到整步时的百分之40，处已感觉不出谐振点，且提高分辨率以后同样fo对应的角速度按比例地降低了。

图1b的曲线表明，在600～1 500脉冲／s之间有明显的不稳定区，图1a的特性，通电状态数增加后，高频段相应地改为l≥3 000脉冲／s处，可看出不稳定现象仍然存在，只是角速度波动的幅值稍低一些，在中频段fcp=400脉冲／s和800脉冲／s处有新的谐振点，这是微步驱动时各微步之间转矩不均匀产生的新的激扰所引起的谐振，可通过对参考电流波形专门的研究克服。

为了校核振动特性的仿真模型和方法，对图1的特性进行仿真，所得结果如图2所示，与图lb的曲线相比较可看出，低频段的曲线基本一致，谐振点对应的频率和峰值基本相符l高频不稳定区的频域及角速度振荡的幅值也大体相符，与图1a昀曲线相比较可看出，低频谐振点及峰值相一致，高频不稳定区的频域相一致，角速度振荡的振幅有些偏高}中频谐振点的位置相一致，fep=800脉冲／s处的峰值稍偏低一些，fcp=400脉冲／s处的峰值偏差较大，这是由于转矩合成时非线性影响未加jingque考虑引起的，有待进一步完善，总的来看，仿真结果能基本正确反映振动特性的主要特征，用它研究不同参数对振动特性的影响，主要看振动特性的相对变化。

4功放级电压的影响

图3示功放级电压值不同时的一条振动特性，与图2a相比较，可看出功放级电压对振动特性有明显的影响。功放电压增高时明显的影响是高频不稳定区向更高的频域移动；功放电压改变时，低频段的振动特性基本不变；中频谐振点位置不变，峰值有所增加。

采取措施对中频振荡加以抑制条件下，用提高功放电压的办法移开高频不稳定区，不失为提高运行平稳性的一种方便的方法。

5结论

(1)采用微步驱动技术提高分辨率，对改善低频运行的平稳性有显著的效果。

(2)微步驱动对高频不稳定性有一定的影响，但不能消除，还需要采取其他措施消除。

(3)微步运行时会引起中频段新的谐振点，需要作专门的研究解决。

(4)提高功放电压能使高频不稳定区向更高的频域移动，有利于提高一定频域范围内运行的平稳性。