西门子6ES7231-7PF22-0XA0大量库存

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h桥功率驱动电路可应用于、交流电机及直流电机等的驱动。永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样绕组电源需用h桥驱动。本文以两相混合式步进电机驱动器为例来设计h桥驱动电路。

电路原理

图1给出了h桥驱动电路与步进电机ab相绕组连接的电路框图。

4个开关k1和k4，k2和k3分别受控制信号a，b的控制，当控制信号使开关k1，k4合上，k2，k3断开时，电流在线圈中的流向如图1(a)，当控制信号使开关k2，k3合上，k1，k4断开时，电流在线圈中的流向如图1(b)所示。4个vd1，vd2，vd3，vd4为续流二极管，它们所起的作用是：以图1(a)为例，当k1，k4开关受控制由闭合转向断开时，由于此时线圈绕组ab上的电流不能突变，仍需按原电流方向流动(即a→b)，此时由vd3，vd2来提供回路。因此，电流在k1，k4关断的瞬间由地→vd3→线圈绕组ab→vd2→电源+vs形成续流回路。同理，在图1(b)中，当开关k2，k3关断的瞬间，由二极管vd4，vd1提供线圈绕组的续流，电流回路为地→vd4→线圈绕组ba→vd1→电源+vs。步进电机驱动器中，实现上述开关功能的

元件在实际电路中常采用功率mosfet管。

由步进电机h桥驱动电路原理可知，电流在绕组中流动是两个完全相反的方向。推动级的信号逻辑应使对角线晶体管不能同时导通，以免造成高低压管的直通。

另外，步进电机的绕组是感性负载，在通电时，随着电机运行频率的升高，而过渡的时间常不变，使得绕组电流还没来得及达到稳态值又被切断，平均电流变小，输出力矩下降，当驱动频率高到一定的时候将产生堵转或失步现象。因此，步进电机的驱动除了电机的设计尽量地减少绕组电感量外，还要对驱动电源采取措施，也就是tigao导通相电流的前后沿陡度以tigao电机运行的性能。

步进电机的缺陷是高频出力不足，低频振荡，步进电机的性能除电机自身固有的性能外，驱动器的驱动电源也直接影响电机的特性。要想改善步进电机的频率特性，就必须tigao电源电压。

电路设计

图2给出了驱动器ab相线圈功率驱动部分原理图。

选用的功率mosfet元件是irfp460，其，id=20a，vdss= 500 v，rds(on)=0。27ω。

在图2中，功率mosfet管vt1，vt2，vt3，vt4和续流二极管 vd11，vd19，vd14，vd22相当于图1中的k1，k2，k3，k4和vd1，vd2，vd3，vd4。功率mosfet管的控制信号是由ttl逻辑电平a，a，b，b来提供的，其中a与a，b与b在逻辑上互反。

a.驱动电流前后沿的改善

从步进电机的运行特性分析中知道，性能较高的驱动器都要求提供的电流前后沿要陡，以便改善电机的高频响应。本驱动器中由于功率mosfet管栅极的存在，对该管的驱动电流实际表现为对栅极电容的充、放电。极间电容越大，在开关驱动中所需的驱动电流也越大，为使开关波形具有足够的上升和下降陡度，驱动电流要具有较大的数值。如果直接用集电极开路的器件如sn7407驱动功率mosfet管，则电路在mosfet管带感性负载时，上升时间过长，会造成动态损耗增大。为改进功率mosfet管的快速开通时间，同时也减少在前级门电路上的功耗，采用图2虚线框内的左下臂驱动电路。

集电极开路器件u14是将ttl电平转换成cmos电平的缓冲/驱动器，当u14输出低电平时，功率mosfet管vt2的栅极电容通过1n4148被短路至地，这时u14吸收电流的能力受u14内部导通管所允许通过的电流限制。而当u14输出为高电平时，vt2管的栅极通过晶体管v3获得电压和电流，充电能力tigao，因而开通速度加快。

b.保护功能

图2虚线框中，1n4744是栅源间的过压保护齐纳二极管，其稳压值为15 v。由于，功率mosfet管栅源间的阻抗很高，故工作于开关状态下的漏源间电压的突变会通过极间电容耦合到栅极而产生相当幅度的vcs脉冲电压。这一电压会引起栅源击穿造成管子的损坏，如果是正方向的vcs脉冲电压，虽然达不到损坏器件的程度，但会导致器件的误导通。为此，要适当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅源之间并接阻尼电阻或接一个稳压值小于20 v而又接近20v的齐纳二极管1n4744，防止栅源开路工作。

功率mosfet管有内接的快恢复二极管。当不接vd11，vd12，vd13，vd14时，假定此时电机ab相绕组由vt1管(和vt4管)驱动，即vt2管(和vb)截止，vt1管(和vt4管)导通，电流经vt1管流过绕组。当下一个控制信号使vt1管关断时，负载绕组的续流电流经vt2的内接快恢复二极管从地获取。此时，vt2管的漏源电压即是该快恢复二极管的通态压降，为一很小的负值。当vt1再次导通时，该快恢复二极管关断，vt2的漏源电压迅速上升，直至接近于正电源的电压+vs，这意味着vt2漏源间要承受很高且边沿很陡的上升电压，该上升电压反向加在vt2管内的快恢复二极管两端，会使快恢复二极管出现恢复效应，即有一个很大的电流流过加有反向电压的快恢复二极管。为了抑制vt2管内的快恢复二极管出现这种反向恢复效应，在图2电路中接人了vd11，vd12，vd13，vd14。其中，反并联快恢复二极管vd11，vd14的作用是为电机ab相绕组提供续流通路，vd12，vd13是为了使功率mosfet管vt1，vt2内部的快恢复二极管不流过反向电流，以保证vt1，vt2在动态工作时能起正常的开关作用。vd19，vd20，vd21，vd22的作用亦是同样的道理。

对图2电路的分析可知，信号a=1，b=1的情况是不允许存在的，否则将因同时导通从而使电源直接连到地造成功率管的损坏;另外，根据步进电机运行脉冲分配的要求，vt1，vt2，vt3，vt4经常处于交替工作状态，由于晶体管的关断过程中有一段存储时间和电流下降时间，总称关断时间，在这段时间内，晶体管并没完全关断。若在此期间，另一个晶体管导通，则造成上、下两管直通而使电源短路，烧坏晶体管或其他。为了避免这种情况，可采取另加逻辑延时电路，以使h桥电路上、下两管交替导通时可产生一个“死区时间”，先关后开，防止上、下两管直通现象。

本驱动器电源驱动部分线路简单，通过对电流前后沿的合理设计，降低了开关损耗，改善了电机的高频特性，并具有多种保护功能，实际使用中效果良好。

1．引言
　　B&R（贝加莱，www.br-automation.com）公司于1979年创建于奥地利。从创建以来，B&R一直致力于工业自动化技术创新并引领着技术发展的潮流。卓越并且开放性的产品大限度地满足了客户需求，使客户的产品和项目具个性与竞争力。1996年贝加莱来到中国，如今，贝加莱产品已在中国国内的塑料、包装、印刷、纺织、食品等多个行业的机械自动化及电力、冶金、石化、污水、市政工程等过程自动化领域中被广泛地采用。产品含盖PCC（可编程计算机控制器）、IPC（工控机），Panel System(人机界面)、ACOPOS (伺服产品)、X20，X67(分布式I/O)，APROL系统（DCS系统）等产品系列。丰富的控制部件和DCS系统被广泛应用在各大先进的污水处理控制系统中，目前已有上千套贝加莱的污水处理系统运行在全球的各个国家，系统性能有口皆碑。
　　2．污水工艺及特点
　　污水处理的工艺流程大体分为：格栅处理、泵房tisheng、沉砂处理、一次沉淀池、曝气池处理、二次沉淀池处理、泥浆制备、昭气利用。需要控制的区域主要有进水泵房，鼓风机房，脱水机房，变电所，加药间等区域。有栅格、总泵房、沉砂池、生物反应池、沉淀池、加氯间、污泥处理装置、变电站等控制对象。

　　在进水泵房，系统需要检测粗、细格栅前后的液位，及设备的故障工况，手动/自动控制粗、细格栅的运行；采集泵房内及水泵运行工况及液位参数，并根据泵的运行时间，先后开启水泵机组。
 
　　在鼓风机房，系统需要控制鼓风机组的开关机顺序，检测鼓风机组的故障报警，根据生化池中溶氧的浓度调节出风阀开启度，检测生化池等相关仪表的参数。在脱水机房系统需要采集脱水机房、污泥池内电气设备运行工况及附近的仪表参数并对相应电气设备进行控。在变电所需要采集鼓风机房高压变配电所设备的运行工况及对附近电气设备进行控制等。具有现场设备查询，故障记录及报警，各项数据曲线等功能。
  　　3．贝加莱控制系统方案：　
　　根据项目的需求及特点，贝加莱方案为监控中心采用先进的管理控制技术，系统设计为控制层、监控层、管理层三层进行监测和控制。控制层分若干个PCC子站分别对厂内设备、及监测点进行控制、监测，采集信号，控制生产设备；监控层，在厂内设中心控制室，对于独立运行的污水处理厂，中控室有二个功能，一是监控全厂的整个生产过程，二是将有关污水处理厂的运行状况上传污水处理厂监控中心；将污水处理厂监控中心执行指令下传各PCC，由PCC控制各现场仪器及仪表；管理层主要在污水处理厂监控中心完成。系统同时还充分考虑设计了特殊情况下的现场手动控制。
　　系统结构图:

　　系统设计在现场采用贝加莱的PP400系列控制器，贝加莱的PP400是一款集成触摸屏，控制器于一身的高性能控制器.一个设备同时实现现场的监控和操作以及I/O的处理.tigao整个污水系统的灵活度.支持100米I/O扩展的X20系统。各PCC站的通讯，采用CPU自带的以太网接口，实现个站间的通讯和与监控中心的数据交换。设计自控系统的组成主要包括：
　　1.  1#PCC，2#PCC，3#PCC控制站
　　主控制器选用X20的高性能X20CP1485控制器，自带以太网，和RS232或CAN通讯接口，其处理频率达到Celeron 400MHZ,达到400US的任务执行时间。通过预先编制好的控制程序，对现场控制站I/O模块进行数据采集和分析、运算并相应的输出结果。通过自带以太网接口实现与监控中心的数据通讯，并且采用容易扩展的X20的I/O单元，采用CAN，X2X通讯方式实现I/O的通讯，采集远程设备的数据信号。12路的I/O宽度仅为12.5mm,长为9.9mm.结构紧凑，功能齐全，，安装方便。
　　3个PCC站分别位于预处理站，鼓风机室，滤池和沉淀池。鼓风机房现场HMI采用贝加莱的PP100触摸屏，PP100采用266MH高性能处理器，128MB DRAM，TFT 640*480 真彩10.4寸的大尺寸，IP65的防水等级。全金属外壳。模拟电阻式触摸屏其特性决定了长寿命，正常使用可达6年以上。并且具有很强的抗干扰能力，并集成RS232，以太网，USB接口，方便用户的通讯或扩展。主控制器与触摸屏的通讯采用RS232。

 　　2．变电站
　　控制器选用贝加莱的PP400，贝加莱的PP400是一款集成触摸屏，PCC控制器于一身的高性能控制器，采用高速266MHZ CPU ，可达8GB的大容量的存储器，具有IP65的防护等级，USB，以太网，RS232通讯接口丰富，256色真彩显示。10.4寸的PP400作为控制主站的控制器和人机界面的同时。还可通过屏查询设备状态，工作记录，数据报表，修改系统参数等功能。满足在变电站本地监控本地操作的功能，一体化的设计紧凑而小巧。I/O模块支持多种远程扩展方式，如CAN ，X2X， POWERbbbb，ProfibusDP，DeviceNet等。

　　3． ECU01-ECU10现场控制站
　　现场控制站的主要功能是远程I/O模块和通讯的功能，它主要包括模拟输入模块、数字输入模块、数字输出模块、以及通讯模块。采集10个滤池的信号监控等。控制器选用贝加莱的X20自带以太网，RS232，CAN接口紧凑型X20CP0291，达到2MS的快速扫描周期。采集10个滤池的控制信号，通过100M的以太网传输上下位的数据信息。I/O部分采用贝加莱的X20 I/O系统。如果滤池控制部分离其余控制部分有一定距离，并且I/O点不多。我们采用贝加莱的具有12M 通讯速度，站间距离可达100米的X2X通讯总线，进行远程扩展。方便现场的安装，满足实际客户要求。并且X20系统支持热插拔，即使个别模块或外围设备的故障也不会影响其余模块的正常工作，避免因一些小故障而导致整个系统瘫痪。节省维护和使用成本。
　　4． 监控中心
　　采用贝加莱无风扇无线缆，可免硬盘运行的工控机APC620，采集现场PCC的实时数据和记录状况报表及报警等。实现全厂的综合调度。两台工控机互为主备，tigao系统可靠性。控制系统具有全自动逻辑控制、在线工艺状态显示及参数记录、运行故障诊断记录、生产报表显示记录等功能。系统能长周期安全无故障运行。
　　5．网络通讯及结构
　　利用各PCC自带的以太网接口实现PCC站站以及ECU各站的通讯,以及与监控中心的数据通讯.光纤连接现场和监控中心。远程I/O的扩展采用12M速率的X2X总线。通过RS485接口模块控制现场变频器的运转，以及与仪器仪表的通讯连接。

　　贝加莱的控制系统支持分时多任务操作系统，触摸屏和PCC均采用一个开发软件来开发，面向对象的编程方式，除常规编程语言外，并且支持C语言，BASIC语言等多种编程语言。以及完善的PID算法完成生产过程压力、温度、liuliang等工艺参数的PID回路调节。高性能的控制器和支持带电插拔的X20 I/O 系统，单个模块或部件的损坏不会影响其他设备的正常运行，tigao污水系统可靠性，利于系统维护。I/O的就地接入，再通过通讯上送，通讯介质为屏蔽双绞线，减少布线成本，tigao电气系统可靠性。实现就近接线，远程监控。接口丰富，太网通讯接口， Modbus接口，CAN 通讯，RS485总线等与三方设备通讯的接口都包含在系统中，方便用户的扩展和使用。
　　4．结束语：
　　贝加莱的污水控制系统是以PCC、工控计算机、管理计算机、服务器、计算机网络及软件系统为核心的污水处理厂实时管理控制系统，自动监测或监控污水处理厂设备及生产运行，达到污水处理厂远程监测或监控自动化、管理信息化。 使污水处理厂内自动化控制及技术水平得到全面显著tisheng，可以安全、可靠地实现各种复杂的污水处理工艺流程，减少人为因素带来的可能事故和隐患，保证污水处理的质量，同时减轻劳动强度，tigao工作效率和经济效益，使传统污水处理厂生产运行及管理产生了质的变化。

一、前言
整经机是纺织行业不可缺少的设备，它将多个小盘上的线料整理到大盘上为后续织布做好准备。目前各个厂家整经机大致可分为三种控制方案：1）少数小型的整经机只控制线速恒定，不控制张力使收线盘收线里外松紧不均，这必然造成放线织布也松紧不均，严重影响布料的质量；2）张力和线速度分开控制，收线控制线速度后级用转矩模式控制其张力，这样容易造成张力与线速度控制相互影响，收线在做PID调节时造成张力的波动，且受惯量摩擦等的影响起停时容易造成松线和断线；3）采用伺服控制，成本太高系统复杂，也带来维修不便。本文以某机械厂的实例来介绍汇川MD系列变频器在整经机上的应用，它具有配置简练、逻辑清晰、控制效果好、成本低的优点。
二、系统构成
主要由两变频器控制的收线电机和张力调节电机及PLC、触摸屏、编码器、压力传感器和低压元件等组成。如下图所示
                      

               
整经机示意图

三、控制要求
a、线收盘时线速度和张力恒定、波动小、可无级调节；
b、起停经线松紧均匀不断线；
c、必要的保护操作方便。
四、实现过程
a、恒线速度控制
收线变频器控制线速恒定。由罗拉轴上的编码器转过的脉冲频率和轴直径即可算出线料的实际线速度（V=a*π*D/b  V-线速度；a-每秒脉冲数；D-轴直径；b-编码器转一圈产生的脉冲），通过DI5输入（编码器的B相）到变频器作为线速度反馈，给定量通过HMI设定输入PLC再通讯写入变频器，由变频器内部PID计算构成闭环控制。但变频器内没有线速度这一物理量，因为只要控制罗拉轴上每秒转过的脉冲数不变也就确保了线速度的恒定，为此DI5输入大频率的参数F4-30要设为高线速度时的脉冲频率（零到大脉冲频率对应零到大线速度，给定是设成由百分比其物理量为百分比再乘上大线速度）。
b、恒张力控制
张力控制几点说明
1）张力控制采用我司的简易伺服非标变频器，它的特点：要配PG卡（编码器反馈卡）；必须运行在有传感器矢量控制模式；输入DI5多少脉冲电机就转过相应的角度，其对应关系可通过FE-00脉冲比例系数来调整；用于小惯量位置控制。
2）FE-00脉冲比例设定是指从DI5输入的指令脉冲与变频器所带电机的编码器脉冲的比例，也就是当DI5输入一个脉冲需要电机转过几个脉冲。
3）FE-02：调节器比例。变频器对脉冲的调节是通过检测DI5输入的脉冲与编码器脉冲之间的误差（脉冲比例考虑在内）进行频率调节，该参数即为调节器系数。越强调节越快，但稳定性会便差，反之调节慢，稳定性好。
4）为了控制简单机械要求：张力传感器的前后级（前级指主收卷后级指简易伺服，以下相同）两罗拉轴直径相同；后级电机到罗拉轴的机械传动比为1；两个编码器的规格一样（每周脉冲量相同）。
张力控制原理：前级罗拉的编码器的b相输入到后级的DI5做为脉冲给定，当脉冲比例FE-00设为1时，后级电机转过的角度就与前级罗拉轴转过的角度相同，这样就保证了两罗拉轴同步运行。要保证张力恒定只需调整后级罗拉轴与前级罗拉轴的相对速度即可，根据压力传感器上的反馈张力和张力给定量（HMI设定输入PLC再通讯写入变频器）经PLC内部PI计算来调整（通讯更改）后级的脉冲比例系数FE-00来改变电机的相对转速，实现恒张力。
五、结论
该方案的张力控制由于采用收线罗拉上的编码器做为简易伺服变频器的脉冲给定，当前级控制速度PID调节时罗拉轴转速改变，输入到后级变频器上的脉冲相应改变，所以系统的后级张力调节是在跟踪前级速度基础上叠加一个量（改变脉冲比例系数），大大减少了速度调节对张力的影响。系统是用位置控制保证张力的，因此机械惯量摩擦等因素对张力影响很小，起停平稳张力控制精度有了很大tigao。本方案配置简练、逻辑清晰、控制效果好、成本低的优点已在纺织行业中广泛应用