西门子模块6ES7340-1BH02-0AE0详细说明

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本文是关于测控步进电机装置的设备。该设备功能包括:距离(工作步数)设定、启动、位置显示及清零，(自动、手动)连续或单次运行，(自动、手动)回原点，步进电机欠电流检测报警，原点到位显示等。 

1 引言

某进口设备大面积的严重损坏。经过修理，更换了一大批电子元件，才勉强恢复原有的技术指标。但其工作已不是很可靠。由于该设备已停产，并且没有相关的代替设备.为配合生产需要，我们投入了对该设备的研制。原设备完全由晶体管电路构成，考虑到研制周期及可靠性等因素。我们决定采用PLC(fx2n-32t) 和触摸屏(mt506s)控制技术重新进行设计。

2 功能概述

该设备实质上就是一台专用的测控步进电机装置的设备。步进电机装置由步进电机及其相关电路组成。

    3 装置原理介绍

3.1 系统工作原理

系统工作原理如图1所示。图中触摸屏作为人机界面,用来显示并进行操作;plc作为控制器,接收触摸屏的设定数据并进行逻辑处理,再控制步进电机。步进电 机装置是受控对象，不能进行修改。它包括多种电源形式:步进电机工作在-24v三相双三拍直流矩形波的供电方式，还包括+12v、-12v、+5v等电压 和极性不同的信号。为了使多种信号的检测和驱动、步进电机装置相匹配，增加了信号的转换电路。

图1 系统工作原理框图

3.2 转换电路原理

信号转换电路的部分电路，如图2，3所示。

图2中,当5v或0v信号到达电阻r1后，通过光电耦合器使plc输入1信号接通，此时电机回原点运行的过程中开始计数,记录运行步数。当+12v信号到 达“±12v信号”后, 首先点亮发光管d6，然后通过光电耦合器u1-3使plc输入3接通，指示到达原点，电机停止运行;当-12v信号到达“±12v信号”后,通过光电耦合 器u1-2使plc输入2接通，超出设定极限。当-12v信号到达“-12v信号2”通过光电耦合器u1-3使plc输入接通，指示到达原点，电机停止运 行。

图2 信号转换电路

图3 步进电机驱动电路

3.3 电流检测原理

在步进电机驱动器中，内置了电流检测电路。电机发生断电或欠电流运行时，发出报警信号，使系统停止运行。检测原理是利用三相双三拍步进电机的工作特性，在任意时刻均有两相得电。只要检测任意时刻流过公共地线的电流大于相应额定电流的2/3即可认为工作正常，如小于相应额定电流的2/3，则认为欠电流运行。 电路原理和时序图，如图3，4所示。

图3中，r是电流检测电阻，c用于竞争。在图4中in表示三相双三拍电机流过公共点电流检测电阻的额定工作电流;in表示检测电流的门 限，in=2/3in;i表示电机的实际工作电流。alm表示欠电流报警。系统运行后，当i≥in时，alm报警，直到故障排除，系统复位后报警解除。图 4中的细实线表示alm未报警时的时序图。

图4 电流波形图

3.4 触摸屏的软件设计

(1) 首页:打开电源开关后，提示输入登录密码。正确输入密码后，自动进入首页。设备进入准备状态。

(2) 输入窗口:输入窗口主要用于设定并进行操作。包括键盘和主要操作控件，操作者可以直接对设备进行操作。

(3) 配方数据窗口:对于经常用到的操作数据，可以按照提供的格式存放到配方卡记忆体里面,当需要时把它调出来，而不需要临时输入数据，可以大大地提高操作效 率。

(4) 控制窗口:控制窗口主要用于对设备的基本功能的操作和显示。包括一个隐藏的小键盘窗口，可以在需要设定数据时弹出。

(5) 元件检查窗口:用于对plc内部关键元件的监测，以便出错时查找故障。

(6) 梯形图检查窗口:用于对plc梯形图的实时监控(由于mt506s不具备直接显示plc内部梯形图的功能，故采用了单独制作显示plc各元件的方法组合成 关键部分梯形图)。

3.5 plc的软件设计

plc程序流程图如图5所示。

系统初始化后,完成了距离设定,选择运行方式后.再看系统是否有故障或是否到达原点。当完全准备妥后，分别执行自动或手动操作。在按设定距离执行自动往返运行的过程中，当中间执行断开操作后，系统保持运行方向，运行到设定距离，保持显示，然后停止运行;当执行复位操作后，系统首先运行显示归零(计数清 零)，然后停止运行。在执行手动运行中，当到达设定距离后，系统保持显示，并停止运行;当运行中执行断开操作，方向不变，到达设定距离后，系统保持显示并 停止运行;当执行复位操作，则运行显示归零(计数清零)，然后停止运行。

 本文所研制的大型数控分度头,采用PLC可编程控制器 ,控制步进电机驱动蜗轮蜗杆对执行工件进行自动分度， 结构简单、制造费用低，较好地解决了生产中的实际问题。 

1、引言

大型轴承内、外套上的分度、打孔是轴承中的关键工序 ,它的工艺水平和质量的高低直接影响轴承的质量、寿命和制造成本。目前轴承行业大型轴承内、外套的分度方式普遍采用人工分度方式 ,其分度精度低、累积误差大 、工作效率低、工人劳动强度大，对轴承性能的提高造成很大的影响。我们所研制的大型数控分度头,采用PLC可编程控制器 ,控制步进电机驱动蜗轮蜗杆对执行工件进行自动分度， 结构简单、制造费用低，较好地解决了生产中的实际问题。

2、总体设计方案

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。其重要特点是只有周期性的误差而无累积误差。步进电机的运行要有步进电机驱动器这一电子装置进行驱动，这种装置就是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说: 控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。因此，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速;控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。

在我们所设计的数控分度头中，就是利用这一线性关系，用PLC进行电气控制、编写分度算法程序，控制脉冲信号的频率和脉冲数，步进电机驱动蜗轮蜗杆对执行工件进行精确分度，并可实现调整、手动分度、自动分度等多种电气控制。

电气控制方案为PLC+步进电机及可细分驱动器+数显尺。PLC选用DVP20EH00T，AC220伏供电20点 200HZ晶体管输出类型;根据分度精度要求考虑，选用可细分驱动器及步进电机，考虑分度时对工件的扭矩M=FR=fNR ,计算出最大扭矩为27Nm。按矩频特性选取步进电机 ,选130BYG350A型三相混合式步进电机及配套细分驱动器MS-3H130M。

PLC的I/O配置如下表：

该数控分度头在径向安装数显尺来控制径向分度尺寸;由PLC控制步进电机轴向分度。操作人员启动电源 ,输入分度数后 ,调整/分度开关置于分度位置即可实现手动或自动分度。在自动分度中可实现分度机构的松开、上升、分度、下降、卡紧再松开的顺序控制

3、分度算法

设总孔数为D2,总脉冲数D0，分度脉冲可计算为 :D0/D2=D4 +D5(余数)。若D5=0时 ,步进电机每转动一次,电机转角控制脉冲均为D4。若D5≠0时 ,将D5与孔数的一半(D2/2=D8)进行比较，若小于孔数的一半，步进电机先按D4个脉冲分度，步进电机每转过一个分度角，余数D5累积一次，当累积数大于D8时，步进电机则按D4+1个脉冲分度一次，此时累积数减去D4+1脉冲的余数即D2-D5，然后再按D4个脉冲分度，依次类推直至分度完毕;若余数大于孔数的一半，步进电机先按D4+1个脉冲分度，余数按D2-D5累积，当累积数大于D8时，步进电机则按D4个脉冲分度一次，此时累积数减去D4脉冲的余数D5，然后再按D4+1个脉冲分度，依次类推直至分度完毕。这样的分度算法，使孔与孔之间的分度误差始终小于一个脉冲当量，可以实现在3600转角误差为0的分度精度要求。

4、分度算法梯形图

5、结束语

该大型数控分度头应用于1000mm～2000mm的轴承内、外套的分度 。主要优点为 :(1)分度精度高。驱动器在最高细分10000工作状态下，孔孔之间分度误差可控制在7.3μm, 可以实现3600转角误差为0的分度精度要求，满足了工件的分度要求。(2) 工作效，分度速度快。选用的PLC最高频率为200HZ，在自动分度工作状态下，50个孔的分度工作不足十分钟即可完成。(3)操作灵活、简便。该数控分度头实现调整(不分度)、手动或自动分度等电气操作。人工分度方式需要测量、画线等费工费时 ,由PLC控制的步进电机自动分度方式只需输入分度数 ,即可实现分度的多种控制。 (4)该数控分度头经济、实用。投入使用后，较好地解决了以往大型轴承内、外套的分度存在的问题，提高了轴承产品质量 ,降低工人劳动强度。

 步进电机位移与输入脉冲信号数相对应，精度高、响应特性好、可靠性高、速度可在较宽范围内平滑调节，是控制系统中一种重要的自动化执行元件。

    SCM(Single Chip Microcomputer，单片机)是把组成微型计算机的中央处理器、存储器、输入输出接口电路、定时器／计数器等制作在一块集成电路芯片中，它具有小巧、低功耗、指令系统丰富等优点，成为工业控制的主角。

    PLC(Programmable Logic Controller，可编程序逻辑控制器)是以微型计算机为核心的一种工控机。其控制方案能事先进行模拟调试，自身设计采用了冗余措施和容错技术。由于PLC通用性强，编程操作方便，扩展灵活，可靠性高，应用几乎覆盖各个工业领域。

    步进电机的电脉冲信号若由SCM产生，就构成以SCM为核心的控制系统。若电脉冲信号由PLC产生，就构成以PLC为核心的控制系统。

    1 步进电机驱动方式

    反应式步进电机频率响应快、可双向旋转、定位准确、起停速度快，因而使用多，具有代表性。三相反应式步进电机定子有6个等间隔的磁极，线圈绕过相互正对的两个磁极构成一相，共有A—A、B—B和C—C三相。根据步进电机的工作原理，若按顺序给步进电机的绕组施加有序的脉冲电流即可控制步进电机的转动，从而进行数字到角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动的方向则与脉冲的顺序有关。

    从一相通电转到另一相通电称为一拍，对三相反应式步进电机来说，若按A→B→C→A顺序通电，则称为单相三拍运行方式。若按A→AB→B→BC→C→C→A→A顺序通电，则称为三相六拍运行方式。若按AB→BC→CA→AB顺序通电，则称为双相三拍运行方式。一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机，必须要有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。驱动电路不仅应该包含由功率开关器件构成的驱动主电路，还应包含一个逻辑单元，在输入脉冲序列的作用下输出定子绕组通电状态，控制主电路功率开关器件的导通与关断。典型的驱动电路主要有全电压，恒流斩渡，升频升压等形式。

    2 基于SCM的步进电机控制方法

    2.1 控制原理

    SCM的P1口作为输出口，P1.0，P1.1，P1.2分别输出控制脉冲，通过7406驱动脉冲功率放大级的达林顿复合管，再分别控制三相步进电机的A、B、C三相。根据P1口输出控制信号的状态，即可实现对步进电机的正反转控制。

    步进电机工作在三相六拍时的控制字。从中可以看出，步进电机第一个控制字数据为01H，从上到下输出控制字时，电机正转，自下而上输出控制字数据时，电机反转。步进电机运行一拍的时间决定了步进电机的转速。在输出一个控制字后加入一定的延时时间，即可控制步进电机的转速。

    2.2 控制程序

    设SCM工作寄存器R3中存放了步进电机要走的步数，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位F1(D5H)中，当F1为“0”时步进电机正转，F1为“1”时步进电机反转。正转控制字存放在片内数据存储器20H～25H中，26H中存放结束标志00H。在27H开始的存储区存放反转控制字，在2DH单元存放结束标志00H。SCM可以采用程序延时和定时器延时。下面利用定时器延时，以中断方式输出控制脉冲。

    3 基于PLC的步进电机控制方法

    本文以OMRON的CQM1型机为例，分析通过PLC的软件设计来实现步进电机的脉冲分配。

    由移位寄存器SFT(10)指令循环输出实现脉冲分配，步进电机工作在三相六拍时的状态由内部辅助寄存器IR016的00～05继电器控制，为实现循环控制，由第6位信号01605作为反馈信号接到SFT的数据输入端IN。SFT的移位脉冲输入端CP可由PLC内部高速定时器通过编程实现，本设计中为方便起见。采用了内部特殊继电器SR25500。SFT的复位输入端R接步进电机停止信号，该端为ON时，数据通道IR016的所有位置0，并且不接受数据输入。

    IR016与步进电机通电绕组的对应关系，在步进电机正转时，当移位数据信号移到第一位时。移位寄存器SFT第一位01600的输出应接通步进电机的A相；移到第二位时，应接通A相和B相；其余如此类推。以A相绕组为例，由表2可知，当辅助继电器01600、01601、01605中任一个接通时(并联关系)，A相通电。移位寄存器每一位的输出信号先驱动与步进电机各相对应的输出继电器，再由输出继电器通过功率放大器驱动步进电机。

    工作过程简单描述如下：由输入端00000得电发出启动信号，前沿微分指令DIFU(13)保证移位寄存器SFT(10)指令中移位数据初始信号01600的唯一性。移位寄存器在移位脉冲的作用下顺序左移，实现6位脉冲分配，由输出继电器10000、10001、10002分别去接通步进电机的A、B、C三相。步进电机转速可由移位寄存器SFT的脉冲输入端控制，转向由继电器02603控制。当输入端00001无效时，KEEP(11)指令的置位端02600保证02603得电且保持该状态，电机正转；当00001为ON时，KEEP(11)指令的复位端02601使02603失电而恢复原状态，电机反转。

    4 结束语

    比较步进电机的SCM和PLC的控制方法可知。SCM采用定时器延时，以中断方式输出控制脉冲；PLC采用移位指令和内部特殊继电器，以循环顺序扫描方式输出控制脉冲。SCM采用汇编语言(或C语言)编程，其指令系统的同有格式受硬件结构的限制很大，编写和调试要求具备一定语言程序设计基础；而编写PLC程序，即可以采用语句表(助记符)，又可以采用梯形图，梯形图简单易懂，通过图形编程器容易实现。SCM控制系统设计周期长，一般需要程序扩展，硬件方面需要经过印刷电路板设计等过程；PLC控制系统采用模块化结构，可在线修改控制程序，并实现实时监控，因而设计。PLC系统扩展灵活，可以在原有控制系统基础上进行功能扩展，能有效降，适应于复杂的工业控制环境。 

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