步进电机伺服电机.docx
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步进电机伺服电机
7.3.1认知步进电机及驱动器
1、步进电动机简介
步进电动机是将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊执行电动机。
每输入一个电脉冲信号，电机就转动一个角度，它的运动形式是步进式的，所以称为步进电动机。
（1）步进电动机的工作原理
下面以一台最简单的三相反应式步进电动机为例，简介步进电机的工作原理。
图7-10是一台三相反应式步进电动机的原理图。
定子铁心为凸极式，共有三对（六个）磁极，每两个空间相对的磁极上绕有一相控制绕组。
转子用软磁性材料中制成,也是凸极结构，只有四个齿，齿宽等于定子的极宽。
图7-10三相反应式步进电动机的原理图
当A相控制绕组通电，其余两相均不通电，电机内建立以定子A相极为轴线的磁场。
由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，使转子齿1、3的轴线与定子A相极轴线对齐，如图7-10（a）所示。
若A相控制绕组断电、B相控制绕组通电时，转子在反应转矩的作用下，逆时针转过30°，使转子齿2、4的轴线与定子B相极轴线对齐，即转子走了一步，如图7-10（b）所示。
若在断开B相，使C相控制绕组通电，转子逆时针方向又转过30°，使转子齿1、3的轴线与定子C相极轴线对齐，如图7-10（c）所示。
如此按A—B—C—A的顺序轮流通电，转子就会一步一步地按逆时针方向转动。
其转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。
若按A—C—B—A的顺序通电，则电动机按顺时针方向转动。
上述通电方式称为三相单三拍。
“三相”是指三相步进电动机；“单三拍”是指每次只有一相控制绕组通电；控制绕组每改变一次通电状态称为一拍，“三拍”是指改变三次通电状态为一个循环。
把每一拍转子转过的角度称为步距角。
三相单三拍运行时，步距角为30°。
显然，这个角度太大，不能付诸实用。
如果把控制绕组的通电方式改为A→AB→B→BC→C→CA→A，即一相通电接着二相通电间隔地轮流进行，完成一个循环需要经过六次改变通电状态，称为三相单、双六拍通电方式。
当A、B两相绕组同时通电时，转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用，只有A相极和B相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡的中间位置，才是转子的平衡位置。
这样，单、双六拍通电方式下转子平衡位置增加了一倍，步距角为15°。
进一步减少步距角的措施是采用定子磁极带有小齿，转子齿数很多的结构，分析表明，这样结构的步进电动机，其步距角可以做得很小。
一般地说，实际的步进电机产品，都采用这种方法实现步距角的细分。
例如输送单元所选用的Kinco三相步进电机3S57Q-04056，它的步距角是在整步方式下为1.8°，半步方式下为0.9°。
除了步距角外，步进电机还有例如保持转矩、阻尼转矩等技术参数，这些参数的物理意义请参阅有关步进电机的专门资料。
3S57Q-04056部分技术参数如表7-1所示。
表7-13S57Q-04056部分技术参数
参数名称
步距角
相电流（A）
保持扭矩
阻尼扭矩
电机惯量
参数值
1.8°
5.8A
1.0Nm
0.04Nm
0.3kg.cm2
（2）步进电机的使用，一是要注意正确的安装，二是正确的接线。
安装步进电机，必须严格按照产品说明的要求进行。
步进电机是一精密装置，安装时注意不要敲打它的轴端，更千万不要拆卸电机。
不同的步进电机的接线有所不同，3S57Q-04056接线图如图7-11所示，三个相绕组的六根引出线，必须按头尾相连的原则连接成三角形。
改变绕组的通电顺序就能改变步进电机的转动方向。
图7-113S57Q-04056的接线
2、步进电动机的驱动装置
步进电动机需要专门的驱动装置（驱动器）供电，驱动器和步进电动机是一个有机的整体，步进电动机的运行性能是电动机及其驱动器二者配合所反映的综合效果。
图7-12Kinco3M458外观
一般来说，每一台步进电机大都有其对应的驱动器，例如，Kinco三相步进电机3S57Q-04056与之配套的驱动器是Kinco3M458三相步进电机驱动器。
图7-12和图7-13分别是它的外观图和典型接线图。
图中，驱动器可采用直流24V～40V电源供电。
YL-335B中，该电源由输送单元专用的开关稳压电源（DC24V8A）供给。
输出电流和输入信号规格为：
①输出相电流为3.0A～5.8A，输出相电流通过拨动开关设定；驱动器采用自然风冷的冷却方式；
②控制信号输入电流为6～20mA，控制信号的输入电路采用光耦隔离。
输送单元PLC输出公共端Vcc使用的是DC24V电压，所使用的限流电阻R1为2KΩ。
图7-13Kinco3M458的典型接线图
由图可见，步进电机驱动器的功能是接收来自控制器（PLC）的一定数量和频率脉冲信号以及电机旋转方向的信号，为步进电动机输出三相功率脉冲信号。
步进电机驱动器的组成包括脉冲分配器和脉冲放大器两部分，主要解决向步进电机的各相绕组分配输出脉冲和功率放大两个问题。
脉冲分配器是一个数字逻辑单元，它接收来自控制器的脉冲信号和转向信号，把脉冲信号按一定的逻辑关系分配到每一相脉冲放大器上，使步进电机按选定的运行方式工作。
由于步进电机各相绕组是按一定的通电顺序并不断循环来实现步进功能的，因此脉冲分配器也称为环形分配器。
实现这种分配功能的方法有多种，例如，可以由双稳态触发器和门电路组成，也可由可编程逻辑器件组成。
脉冲放大器是进行脉冲功率放大。
因为从脉冲分配器能够输出的电流很小（毫安级），而步进电机工作时需要的电流较大，因此需要进行功率放大。
此外，输出的脉冲波形、幅度、波形前沿陡度等因素对步进电机运行性能有重要的影响。
3M458驱动器采取如下一些措施，大大改善了步进电机运行性能：
•••内部驱动直流电压达40V，能提供更好的高速性能。
•具有电机静态锁紧状态下的自动半流功能，可大大降低电机的发热。
而为调试方便，驱动器还有一对脱机信号输入线FREE+和FREE-（见图7-12），当这一信号为ON时，驱动器将断开输入到步进电机的电源回路。
YL-335B没有使用这一信号，目的是使步进电机在上电后，即使静止时也保持自动半流的锁紧状态。
•3M458驱动器采用交流伺服驱动原理，把直流电压通过脉宽调制技术变为三路阶梯式正弦波形电流，如图7-14所示。
图7-14相位差120°的三相阶梯式正弦电流
阶梯式正弦波形电流按固定时序分别流过三路绕组，其每个阶梯对应电机转动一步。
通过改变驱动器输出正弦电流的频率来改变电机转速，而输出的阶梯数确定了每步转过的角度，当角度越小的时候，那么其阶梯数就越多，即细分就越大，从理论上说此角度可以设得足够的小，所以细分数可以是很大。
3M458最高可达10000步/转的驱动细分功能，细分可以通过拨动开关设定。
细分驱动方式不仅可以减小步进电机的步距角，提高分辨率，而且可以减少或消除低频振动，使电机运行更加平稳均匀。
在3M458驱动器的侧面连接端子中间有一个红色的八位DIP功能设定开关，可以用来设定驱动器的工作方式和工作参数，包括细分设置、静态电流设置和运行电流设置。
图7-14是该DIP开关功能划分说明，表7-2（a）和（b）分别为细分设置表和电流设定表。
图7-143M458DIP开关功能划分说明
表7-2（a）细分设置表
DIP1
DIP2
DIP3
细分
ON
ON
ON
400步/转
ON
ON
OFF
500步/转
ON
OFF
ON
600步/转
ON
OFF
OFF
1000步/转
OFF
ON
ON
2000步/转
OFF
ON
OFF
4000步/转
OFF
OFF
ON
5000步/转
OFF
OFF
OFF
10000步/转
表7-2（b）输出电流设置表
DIP5
DIP6
DIP7
DIP8
输出电流
OFF
OFF
OFF
OFF
3.0A
OFF
OFF
OFF
ON
4.0A
OFF
OFF
ON
ON
4.6A
OFF
ON
ON
ON
5.2A
ON
ON
ON
ON
5.8A
步进电机传动组件的基本技术数据如下：
3S57Q-04056步进电机步距角为1.8度，即在无细分的条件下200个脉冲电机转一圈（通过驱动器设置细分精度最高可以达到10000个脉冲电机转一圈）。
对于采用步进电机作动力源的YL335-B系统，出厂时驱动器细分设置为10000步/转。
如前所述，直线运动组件的同步轮齿距为5mm，共12个齿，旋转一周搬运机械手位移60mm。
即每步机械手位移0.006mm；电机驱动电流设为5.2A；静态锁定方式为静态半流。
3、使用步进电机应注意的问题
控制步进电动机运行时，应注意考虑在防止步进电机运行中失步的问题。
步进电动机失步包括丢步和越步。
丢步时，转子前进的步数小于脉冲数，越步时，转子前进的步数多于脉冲数。
丢步严重时，将使转子停留在一个位置上或围绕一个位置振动；越步严重时，设备将发生过冲。
使机械手返回原点的操作，常常会出现越步情况。
当机械手装置回到原点时，原点开关动作，使指令输入OFF。
但如果到达原点前速度过高，惯性转矩将大于步进电机的保持转矩而使步进电机越步。
因此回原点的操作应确保足够低速为宜；当步进电机驱动机械手装配高速运行时紧急停止，出现越步情况不可避免，因此急停复位后应采取先低速返回原点重新校准，再恢复原有操作的方法。
（注：
所谓保持扭矩是指电机各相绕组通额定电流，且处于静态锁定状态时，电机所能输出的最大转距，它是步进电机最主要参数之一）
由于电机绕组本身是感性负载，输入频率越高，励磁电流就越小。
频率高，磁通量变化加剧，涡流损失加大。
因此，输入频率增高，输出力矩降低。
最高工作频率的输出力矩只能达到低频转矩的40—50%。
进行高速定位控制时，如果指定频率过高，会出现丢步现象。
此外，如果机械部件调整不当，会使机械负载增大。
步进电机不能过负载运行，哪怕是瞬间，都会造成失步，严重时停转或不规则原地反复振动。
7.3.2认知伺服电机及伺服放大器
7.3.2.1永磁交流伺服系统概述
现代高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。
1、交流伺服电机的工作原理：
伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。
伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。
交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。
结构组成如图7-15所示。
图7-15 系统控制结构
伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。
功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。
功率驱动单元首先通过整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。
再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。
逆变部分（DC-AC）采用功率器件集成驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块（IPM），主要拓扑结构是采用了三相桥式电路，原理图见图7-16。
利用了脉宽调制技术即PWM，（Pulse Width Modulation）通过改变功率晶体管交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率,改变每半周期内晶体管的通断时间比,也就是说通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压副值的大小以达到调节功率的目的。
图7-16三相逆变电路
2、交流伺服系统的位置控制模式
图7-16和图7-15说明如下两点：
⑴伺服驱动器输出到伺服电机的三相电压波形基本是正弦波（高次谐波被绕组电感滤除），而不是象步进电机那样是三相脉冲序列，即使从位置控制器输入的是脉冲信号。
⑵伺服系统用作定位控制时，位置指令输入到位置控制器，速度控制器输入端前面的电子开关切换到位置控制器输出端，同样，电流控制器输入端前面的电子开关切换到速度控制器输出端。
因此，位置控制模式下的伺服系统是一个三闭环控制系统，两个内环分别是电流环和速度环。
由自动控制理论可知，这样的系统结构提高了系统的快速性、稳定性和抗干扰能力。
在足够高的开环增益下，系统的稳态误差接近为零。
这就是说，在稳态时，伺服电机以指令脉冲和反馈脉冲近似相等时的速度运行。
反之，在达到稳态前，系统将在偏差信号作用下驱动电机加速或减速。
若指令脉冲突然消失（例如紧急停车时，PLC立即停止向伺服驱动器发出驱动脉冲），伺服电机仍会运行到反馈脉冲数等于指令脉冲消失前的脉冲数才停止。
3、位置控制模式下电子齿轮的概念
位置控制模式下，等效的单闭环系统方框图如图7-17所示。
图7-17等效的单闭环位置控制系统方框图
图中，指令脉冲信号和电机编码器反馈脉冲信号进入驱动器后，均通过电子齿轮变换才进行偏差计算。
电子齿轮实际是一个分-倍频器，合理搭配它们的分-倍频值，可以灵活地设置指令脉冲的行程。
例如YL-335B所使用的松下MINASA4系列AC伺服电机•驱动器，电机编码器反馈脉冲为2500pulse/rev。
缺省情况下，驱动器反馈脉冲电子齿轮分-倍频值为4倍频。
如果希望指令脉冲为6000pulse/rev，那末就应把指令脉冲电子齿轮的分-倍频值设置为10000/6000。
从而实现PLC每输出6000个脉冲，伺服电机旋转一周，驱动机械手恰好移动60mm的整数倍关系。
具体设置方法将在下一节说明。
7.3.2.2松下MINASA4系列AC伺服电机•驱动器
在YL-335B的输送单元上中，采用了松下MHMD022P1U永磁同步交流伺服电机，及MADDT1207003全数字交流永磁同步伺服驱动装置作为运输机械手的运动控制装置。
图7-18伺服电机结构概图
MHMD022P1U的含义：
MHMD表示电机类型为大惯量，02表示电机的额定功率为200W，2表示电压规格为200V，P表示编码器为增量式编码器，脉冲数为2500p/r，分辨率10000，输出信号线数为5根线。
MADDT1207003的含义：
MADDT表示松下A4系列A型驱动器，T1表示最大瞬时输出电流为10A，2表示电源电压规格为单相200V，07表示电流监测器额定电流为7.5A，003表示脉冲控制专用。
驱动器的外观和面板如图7-19所示。
图7-19伺服驱动器的面板图
2、接线：
MADDT1207003伺服驱动器面板上有多个接线端口，其中：
X1：
电源输入接口，AC220V电源连接到L1、L3主电源端子，同时连接到控制电源端子L1C、L2C上。
X2：
电机接口和外置再生放电电阻器接口。
U、V、W端子用于连接电机。
必须注意，电源电压务必按照驱动器铭牌上的指示，电机接线端子（U、V、W）不可以接地或短路，交流伺服电机的旋转方向不象感应电动机可以通过交换三相相序来改变，必须保证驱动器上的U、V、W、E接线端子与电机主回路接线端子按规定的次序一一对应，否则可能造成驱动器的损坏。
电机的接线端子和驱动器的接地端子以及滤波器的接地端子必须保证可靠的连接到同一个接地点上。
机身也必须接地。
RB1、RB2、RB3端子是外接放电电阻，MADDT1207003的规格为100Ω/10W，YL-335B没有使用外接放电电阻。
X6：
连接到电机编码器信号接口，连接电缆应选用带有屏蔽层的双绞电缆，屏蔽层应接到电机侧的接地端子上，并且应确保将编码器电缆屏蔽层连接到插头的外壳（FG）上。
X5：
I/O控制信号端口，其部分引脚信号定义与选择的控制模式有关，不同模式下的接线请参考《松下A系列伺服电机手册》。
YL-335B输送单元中，伺服电机用于定位控制，选用位置控制模式。
所采用的是简化接线方式，如图7-20所示。
图7-20伺服驱动器电气接线图
3、伺服驱动器的参数设置与调整
松下的伺服驱动器有七种控制运行方式，即位置控制、速度控制、转矩控制、位置/速度控制、位置/转矩、速度/转矩、全闭环控制。
位置方式就是输入脉冲串来使电机定位运行，电机转速与脉冲串频率相关，电机转动的角度与脉冲个数相关；速度方式有两种，一是通过输入直流-10V至—+10V指令电压调速，二是选用驱动器内设置的内部速度来调速；转矩方式是通过输入直流-10V至—+10V指令电压调节电机的输出转矩，这种方式下运行必须要进行速度限制，有如下两种方法：
1）设置驱动器内的参数来限制，2）输入模拟量电压限速。
3、参数设置方式操作说明
MADDT1207003伺服驱动器的参数共有128个，Pr00-Pr7F，可以通过与PC连接后在专门的调试软件上进行设置，也可以在驱动器上的面板上进行设置。
在PC上安装，通过与伺服驱动器建立起通信，就可将伺服驱动器的参数状态读出或写入，非常方便，见图7-21。
当现场条件不允许，或修改少量参数时，也可通过驱动器上操作面板来完成。
操作面板如下图7-22所示。
各个按钮的说明如表7-3。
图7-21驱动器参数设置软件Panaterm图7-22驱动器参数设置面板
表7-3伺服驱动器面板按钮的说明
按键说明
激活条件
功能
在模式显示时有效
在以下5种模式之间切换：
1）监视器模式；2）参数设置模式；3）EEPROM写入模式；4）自动调整模式；5）辅助功能模式。
一直有效
用来在模式显示和执行显示之间切换
仅对小数点闪烁的哪一位数据位有效
改变个模式里的显示内容、更改参数、选择参数或执行选中的操作
把移动的小数点移动到更高位数
面板操作说明：
1．参数设置，先按“Set”键，再按“Mode”键选择到“Pr00”后，按向上、下或向左的方向键选择通用参数的项目，按“Set”键进入。
然后按向上、下或向左的方向键调整参数，调整完后，按“S”键返回。
选择其它项再调整。
2．参数保存，按“M”键选择到“EE-SET”后按“Set”键确认，出现“EEP-”，然后按向上键3秒钟，出现“FINISH”或“reset”，然后重新上电即保存。
3．手动JOG运行，按“Mode”键选择到“AF-ACL”，然后按向上、下键选择到“AF-JOG”按“Set”键一次，显示“JOG-”，然后按向上键3秒显示“ready”，再按向左键3秒出现“sur-on”锁紧轴，按向上、下键，点击正反转。
注意先将S-ON断开。
4、部分参数说明
在YL-335B上，伺服驱动装置工作于位置控制模式，FX2N-48MT的Y000输出脉冲作为伺服驱动器的位置指令，脉冲的数量决定伺服电机的旋转位移，即机械手的直线位移，脉冲的频率决定了伺服电机的旋转速度，即机械手的运动速度，S7-226的Q0.1输出脉冲作为伺服驱动器的方向指令。
对于控制要求较为简单，伺服驱动器可采用自动增益调整模式。
根据上述要求，伺服驱动器参数设置如下表7-4。
表7-4伺服参数设置表格
序号
参数
设置数值
功能和含义
参数编号
参数名称
1
Pr01
LED初始状态
1
显示电机转速
2
Pr02
控制模式
0
位置控制（相关代码P）
3
Pr04
行程限位禁止输入无效设置
2
当左或右限位动作，则会发生Err38行程限位禁止输入信号出错报警。
设置此参数值必须在控制电源断电重启之后才能修改、写入成功。
4
Pr20
惯量比
1678
该值自动调整得到，具体请参AC
5
Pr21
实时自动增益设置
1
实时自动调整为常规模式，运行时负载惯量的变化情况很小。
6
Pr22
实时自动增益的机械刚性选择
1
此参数值设得很大，响应越快。
7
Pr41
指令脉冲旋转方向设置
1
指令脉冲+指令方向。
设置此参数值必须在控制电源断电重启之后才能修改、写入成功。
8
Pr42
指令脉冲输入方式
3
9
Pr48
指令脉冲分倍频第1分子
10000
现编码器分辨率为10000（2500p/rх4），参数设置如表，则，
10
Pr49
指令脉冲分倍频第2分子
0
11
Pr4A
指令脉冲分倍频分子倍率
0
12
Pr4B
指令脉冲分倍频分母
6000
注：
其它参数的说明及设置请参看松下NinasA4系列伺服电机、驱动器使用说明书。
7.3.3FX1N的脉冲输出功能及位控编程
晶体管输出的FX1N系列PLCCPU单元支持高速脉冲输出功能，但仅限于Y000和Y001点。
输出脉冲的频率最高可达100KHZ。
对输送单元步进电机的控制主要是返回原点和定位控制。
可以使用FX1N的脉冲输出指令FNC57（PLSY）、带加减速的脉冲输出指令FNC59（PLSR）、可变速脉冲输出指令FNC157（PLSV）、原点回归指令FNC156（ZRN）、相对位置控制指令FNC158（DRVI）、绝对位置控制指令FNC158（DRVA）来实现。
这里只介绍后面三条指令，其它指令请参考编程手册。
1、原点回归指令FNC156（ZRN）
当可编程控制器断电时会消失，因此上电时和初始运行时，必须执行原点回归
将机械动作的原点位置的数据事先写入。
原点回归指令格式如图7-23。
图7-23ZRN的指令格式
⑴原点回归指令格式说明
图中：
①
:
原点回归速度
指定原点回归开始的速度。
[16位指令]：
10～32,767（HZ）
[32位指令]：
10～100（KHZ）
②
:
爬行速度
指定近点信号（DOG）变为ON后的低速部分的速度。
③
：
近点信号
指定近点信号输入。
当指令输入继电器（X）以外的元件时，由于会受到可以编程控制器运算周期的影响，会引起原点位置的偏移增大。
④
指定有脉冲输出的Y编号（仅限于Y000或Y001）。
⑵原点回归动作顺序
原点回归动作按照下述顺序进行。
1驱动指令后，以原点回归速度
开始移动。
●当在原点回归过程中，指令驱动接点变OFF状态时，将不减速而停止。
●指令驱动接点变为OFF后，在脉冲输出中监控（Y000：
M8147，Y001：
M8148）处于ON时，将不接受指令的再次驱动。
2当近点信号（DOG）由OFF变为ON时，减速至爬运速度
。
3当近点信号（DOG）由ON变为OFF时，在停止脉冲输出的同时，向当前值寄存器（Y000：
[D8141，D8140]，Y001：
[D8143，D8142]）中写入0。
另外，M8140（清零信号输出功能）ON时，同时输出清零信号。
随后，当执行完成标志（M8029）动作的同时，脉冲输出中监控变为OFF
图7-24原点归零示意图
2、相对位置控制指令FNC158（DRVI）
以相对驱动方式执行单速位置控制的指令，指令格式图7-25
图7-25DRVI的指令格式
指令格式说明：
①
：
输出脉冲数（相对指定）
[16位指令]：
-32,768～+32,767
[32位指令]：
-999,999～+999,999
②
:
输出脉冲数
[16位指令]：
10～32,767（HZ）
[32位指令]：
10～100（KHZ）
③
：
脉冲输出起始地址
仅能指
升级会员 