2019/11/20,綜合實訓(xùn)項目-步進電機的PLC控制,2019/11/20,2019/11/20,步進電動機的工作原理與特點,原理：步進電機是利用電磁鐵原理,將脈沖信號轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉(zhuǎn)動一個角度，帶動機械移動一小段距離。它的運動形式是步進式的。,特點：(1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。 (2)控制脈沖頻率，可控制電機轉(zhuǎn)速。 (3)改變脈沖順序，改變轉(zhuǎn)動方向。 (4)角位移量或線位移量與電脈沖數(shù)成正比.,步進電機的結(jié)構(gòu)和工作原理 1.步進電機結(jié)構(gòu) 步進電機可分為反應(yīng)式和勵磁式兩大類。兩類的區(qū)別在于反應(yīng)式步進電機轉(zhuǎn)子上無勵磁繞組，轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)的磁極是由于定于繞組通電后產(chǎn)生的磁場而生成的。兩類步進電機的動作原理相同，這里以反應(yīng)式步進電機為例進行分析。 圖5-41是一種三相反應(yīng)式步進電機，它由定子與轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成。電機定子上有六個磁極，每個極上裝有控制繞組，每兩個相對的磁極組成一相。,步進電機的轉(zhuǎn)動受脈沖信號控制，每來一個脈沖信號，定子繞組通電的狀態(tài)就改變一次，而定子繞組通電后產(chǎn)生的磁場對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生作用將使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個角位移。改變步進電機定子繞組通電狀態(tài)的電路稱為脈沖分配器。控制脈沖信號來到后，先送到脈沖分配器，經(jīng)過分配器輸出的信號決定各定子繞組通電的順序和步進電機轉(zhuǎn)動的速度。步進電機控制電路框圖如圖5-42 所示。從分配器輸出的脈沖信號還需經(jīng)過功率放大之后才能送至步進電機的定子繞組。,2019/11/20,工作方式,步進電機的工作方式可分為：三相單三拍、三相單雙六拍、三相雙三拍等。,一、三相單三拍,（1）三相繞組聯(lián)接方式：Y 型,2019/11/20,（3）工作過程,引轉(zhuǎn)子，由于磁力線總是要通過磁阻最小的路徑閉合，因此會在磁力線扭曲時產(chǎn)生切向力而形成磁阻轉(zhuǎn)矩， 使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)、定子的齒對齊停止轉(zhuǎn)動。,A 相通電，A 方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，吸,A 相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和 AA 對齊。,2019/11/20,B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對齊，相對A相通電位置轉(zhuǎn)30；,C相通電再轉(zhuǎn)30,2019/11/20,這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個循環(huán)周期共包括三個脈沖，所以稱三相單三拍。,三相單三拍的特點：,（1）每來一個電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 30。此角稱為步距角，用S表示。,（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。,2019/11/20,二、三相單雙六拍,三相繞組的通電順序為： AABBBCCCAA 共六拍。,工作過程：,A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對齊。,2019/11/20,所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對AA 通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15。,（1）BB 磁場對 2、4 齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時針 方向轉(zhuǎn)動。,A、B相同時通電,（2）AA 磁場繼續(xù)對1、3齒有拉力。,2019/11/20,總之，每個循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15。,B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相對齊，又轉(zhuǎn)了15。,2019/11/20,三、三相雙三拍,三相繞組的通電順序為： AB BC CA AB 共三拍。,2019/11/20,工作方式為三相雙三拍時，每通入一個電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30，即 S = 30。,2019/11/20,步進電機通過一個電脈沖轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度,稱為步距角。,N:一個周期的運行拍數(shù),即通電狀態(tài)循環(huán)一周需要改變的次數(shù) Zr：轉(zhuǎn)子齒數(shù),如：Zr=40 , N=3 時,步距角,細分：細分就是指電機運行時的實際步矩角是基本步矩角的幾分之一。如：驅(qū)動器工作在10細分狀態(tài)時，其步矩角只為電機固有步矩角的十分之一，也就是說：當(dāng)驅(qū)動器工作在不細分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電機轉(zhuǎn)動1.8，而用細分驅(qū)動器工作在10細分狀態(tài)時，電機只轉(zhuǎn)動了0.18。細分功能完全是由驅(qū)動器靠精度控制電機的相電流所產(chǎn)生的，與電機無關(guān)。,改變步進電機定子繞組通電狀態(tài)的電路稱為脈沖分配器?？刂泼}沖信號來到后，先送到脈沖分配器，經(jīng)過分配器輸出的信號決定各定子繞組通電的順序和步進電機轉(zhuǎn)動的速度。,步進驅(qū)動器原理,從步進電機的轉(zhuǎn)動原理可以看出，要使步進電機正常運行，必須按規(guī)律控制步進電機的每一相繞組得電。步進驅(qū)動器接收外部的信號是方向信號（DIR）和脈沖信號（CP）。另外步進電機在停止時，通常有一相得電，電機的轉(zhuǎn)子被鎖住，所以當(dāng)需要轉(zhuǎn)子松開時，可以使用脫機信號（FREE）.,步進驅(qū)動器,環(huán)型分配器的功能：主要是把外部CP端送入的脈沖進行分配，給功率放大器，功率放大器相應(yīng)的晶體管導(dǎo)通，步進電機的線圈得電。,（3）步進電機驅(qū)動器的端子與接線,PLC與步進電機驅(qū)動器，步進電機驅(qū)動器與步進電機的接線：,2019/11/20,步進電動機的驅(qū)動,步進電動機的驅(qū)動電源主要由脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和脈沖放大器（也稱功率放大器）三部分組成。,高速脈沖輸出,高速脈沖輸出有脈沖串輸出PTO和脈寬調(diào)制輸出PWM兩種形式。 每個CPU有兩個PTO/PWM發(fā)生器，一個發(fā)生器分配給輸出端Q0.0，另一個分配給Q0.1。當(dāng)Q0.0或Q0.1設(shè)定為PTO或PWM功能時，其他操作均失效。不使用PTO/PWM發(fā)生器時，Q0.0或Q0.1作為普通輸出端子使用。通常在啟動PTO或PWM操作之前，用復(fù)位R指令將Q0.0或Q0.1清0。,脈沖串輸出（PTO）,PTO功能可輸出一定脈沖個數(shù)和占空比為50%的方波脈沖。 輸出脈沖的個數(shù)在1-4 294 967 295范圍內(nèi)可調(diào)； 輸出脈沖的周期以s或ms為增量單位，變化范圍分別是1065 535s或265 535ms。 如果周期小于兩個時間單位，周期被默認為兩個時間單位。如果指定的脈沖數(shù)為0，則脈沖數(shù)默認為1。 PTO功能允許多個脈沖串排隊輸出，從而形成流水線。流水線分為兩種：單段流水線(流水線中只能存儲一個脈沖串的控制參數(shù)）和多段流水線（需建立包絡(luò)表，執(zhí)行時可按包絡(luò)表的順序輸出多個脈沖串）。,每個高速脈沖發(fā)生器對應(yīng)一定數(shù)量特殊標志寄存器，這些寄存器包括控制字節(jié)寄存器、狀態(tài)字節(jié)寄存器和參數(shù)數(shù)值寄存器，用以控制高速脈沖的輸出形式、反映輸出狀態(tài)和參數(shù)值。各寄存器分配如表所示。,控制字節(jié) 每個高速脈沖輸出都對應(yīng)一個控制字節(jié)，通過對控制字節(jié)中指定位的編程，可以根據(jù)操作要求設(shè)置字節(jié)中各控制位，如脈沖輸出允許、PTO/PWM模式選擇、單段/多段選擇、更新方式、時間基準、允許更新等。控制字節(jié)中各控制位的功能如表所示。,高速脈沖串輸出PTO,（1）周期和脈沖數(shù) （2）PTO的種類 （3）中斷事件類型 （4）PTO的使用,（1）周期和脈沖數(shù),周期：單位可以是微秒s或毫秒ms；為16位無符號數(shù)據(jù)，周期變化范圍是5065535s或265535ms，通常應(yīng)設(shè)定周期值為偶數(shù)，若設(shè)置為奇數(shù)，則會引起輸出波形占空比的輕微失真。如果編程時設(shè)定周期單位小于2，系統(tǒng)默認按2進行設(shè)置。 脈沖數(shù)：用雙字長無符號數(shù)表示，脈沖數(shù)取值范圍是14294967295之間。如果編程時指定脈沖數(shù)為0，則系統(tǒng)默認脈沖數(shù)為1個。,（4）PTO的使用,使用高速脈沖串輸出時，要按以下步驟進行： 確定脈沖發(fā)生器及工作模式 設(shè)置控制字節(jié) 寫入周期值、周期增量值和脈沖數(shù) (裝入包絡(luò)的首地址) (設(shè)置中斷事件并全局開中斷) 執(zhí)行PLS指令,高速脈沖輸出指令,1指令格式及功能,說明： 1）高速脈沖串輸出PTO和脈寬調(diào)制輸出PWM都由PLS指令來激活； 2）操作數(shù)X指定脈沖輸出端子，0為Q0.0輸出，1為Q0.1輸出； 3）高速脈沖串輸出PTO可采用中斷方式進行控制，而脈寬調(diào)制輸出PWM只能由指令PLS來激活。,功能： 當(dāng)使能端輸入有效時， PLC首先檢測為脈沖輸出位（X）設(shè)置的特殊存儲器位，然后激活由特殊存儲器位定義的脈沖操作,2PTO/PWM指令編程舉例,四、基于PLC與步進電機的小車自動往返控制,項目一：步進電機正反轉(zhuǎn)控制,用S7-200 PLC控制步進電機正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。把步進電機驅(qū)動器的D2設(shè)置為OFF，即PU為步進脈沖信號，DR為方向控制信號。PLC的Q0.0輸出高速脈沖至步進電機驅(qū)動器的PU端，Q0.1控制步進電機反轉(zhuǎn)。對應(yīng)小車的運行各輸出點分配如下： 正轉(zhuǎn)啟動，I0.0； 反轉(zhuǎn)啟動，I0.1； 向左運行，Q0.0發(fā)脈沖，Q0.1為OFF； 向右運行，Q0.0發(fā)脈沖，Q0.1為ON； 停止，Q0.0停止發(fā)脈沖，Q0.1為OFF。,控制程序如圖所示。,