步進(jìn)電動機(jī)的PLC控制課件

1、項(xiàng)目四 步進(jìn)電動機(jī)的PLC控制12任務(wù)一 步進(jìn)電動機(jī)任務(wù)二 步進(jìn)電動機(jī)的PLC控制返回第1頁，共43頁。任務(wù)一 步進(jìn)電動機(jī) 步進(jìn)電動機(jī)也叫脈沖電動機(jī)，是將脈沖電信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移的電機(jī)。由于步進(jìn)電動機(jī)的角位移與脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，并且步進(jìn)電動機(jī)只有周期性誤差而無累積誤差，因此被廣泛應(yīng)用于速度和位置等控制領(lǐng)域，如數(shù)控機(jī)床、繪圖機(jī)、軋鋼機(jī)、記錄儀等方面。圖4一1為步進(jìn)電動機(jī)及結(jié)構(gòu)剖面圖。一、步進(jìn)電動機(jī)的分類步進(jìn)電動機(jī)按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理可分為永磁式、反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電動機(jī);按控制繞組的相數(shù)可分為二相、三相、四相、五相和六相步進(jìn)電動機(jī);按電流的極數(shù)可分為單極性、雙極性步進(jìn)

2、電動機(jī)。下一頁返回第2頁，共43頁。任務(wù)一 步進(jìn)電動機(jī)二、反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的工作原理(一)基本原理步進(jìn)電動機(jī)的工作原理是按電磁吸引的原理工作的。圖4 -2為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)示意圖。定子上有6個磁極，每個磁極上繞有勵磁繞組，每相對的兩個磁極組成一相，分成A,玖C三相。轉(zhuǎn)子無繞組，它是由帶齒的鐵芯做成的。當(dāng)定子繞組按順序輪流通電時，A,玖C三對磁極就依次產(chǎn)生磁場，并每次對轉(zhuǎn)子的某一對齒產(chǎn)生電磁引力，將其吸引過來，而使轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動。 (二)通電方式步進(jìn)電動機(jī)的通電方式分為單相輪流通電方式、雙相輪流通電方式和單雙相輪流通電方式。1.單相輪流通電方式單相輪流通電方式中的“單”是指定子繞組每次換前后

3、僅有一相通電。上一頁下一頁返回第3頁，共43頁。任務(wù)一 步進(jìn)電動機(jī)而由一種通電狀態(tài)切換到另一種通電狀態(tài)稱為“拍”。因此三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的單相輪流通電方式為三相單三拍，即定子繞組按AB C A或A C B A 循環(huán)通電的工作方式。圖4 -3為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)單三拍工作原理圖。當(dāng)A相通電，玖C相不通電時，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)子齒1和3在磁場的作用下轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒1, 3的軸線與定子A極軸線對齊，如圖4一3 (a)所示;同理A相繞組斷電，B相繞組通電時，轉(zhuǎn)子2, 4齒的軸線將與B相磁極軸線對齊，轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動300，如圖4一3 (b)所示;隨后B相繞組斷電，C相繞組通電，

4、轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動300，使轉(zhuǎn)子齒3, 1與C軸磁極線對應(yīng)，如圖4一3 (c)所示。 2.雙相輪流通電方式上一頁下一頁返回第4頁，共43頁。任務(wù)一 步進(jìn)電動機(jī)“雙”是指定子繞組每次切換前后有兩相通電，則三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的通電循環(huán)為AB BC CA AB或AC CB BA AC，稱為三相雙三拍。它的步距角與單三拍控制方式相同，也是300。由于是雙相通電，具有力矩大、定位精度高、不易失步的特點(diǎn)。 3.單雙相輪流通電方式單雙相輪流通電方式即定子繞組一相通電接著兩相通電間隔地輪流進(jìn)行。三相步進(jìn)電動機(jī)完成一個循環(huán)需要經(jīng)過六次改變通電狀態(tài)，稱為三相單、雙六拍通電方式。圖4 -4為三相六拍工作原理圖，三

5、相定子控制繞組通電順序按A AB BBC C CA、A進(jìn)行，當(dāng)A相繞組通電時，定、轉(zhuǎn)子間的位置如圖4 -4 (a)所示，當(dāng)A, B兩相繞組同時通電時，轉(zhuǎn)子齒的位置應(yīng)與兩對定子磁極合成后的磁極軸線相對應(yīng)，如圖4 -4 (b)所示，上一頁下一頁返回第5頁，共43頁。任務(wù)一 步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子相對于A相繞組通電時逆時針轉(zhuǎn)動150，接著A相控制繞組斷電，B相控制繞組單獨(dú)通電，轉(zhuǎn)子沿逆時針繼續(xù)轉(zhuǎn)動150，如圖4一4 (c)所示，依次進(jìn)行下去，控制繞組通電狀態(tài)每變化一次，步進(jìn)電動機(jī)逆時針方向旋轉(zhuǎn)巧“，即步距角為150。若改變定子控制繞組通電順序，步進(jìn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變。三、步進(jìn)電動機(jī)的主要性能1.精度

6、步進(jìn)電動機(jī)的精度可用步距角誤差最大值和步距累積誤差最大值表示。步距角誤差最大值是指步進(jìn)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈后相鄰兩步之間最大步距角和理想步距角的差值。上一頁下一頁返回第6頁，共43頁。任務(wù)一 步進(jìn)電動機(jī)步距累積誤差最大值是指從任意位置開始經(jīng)過任意步后，角位移誤差的最大值。在大多數(shù)情況下，采用步距累積誤差來衡量所選用的步進(jìn)電動機(jī)的精度。2.矩角特性 步進(jìn)電動機(jī)繞組內(nèi)電流不變時，步進(jìn)電動機(jī)產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩T隨失調(diào)角e的變化規(guī)律，即T =.f (B )曲線，稱為矩角特性。靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電動機(jī)不改變控制繞組通電狀態(tài)，即轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)情況下的電磁轉(zhuǎn)矩。失調(diào)角是轉(zhuǎn)子偏離空載時的初始穩(wěn)定平衡位置的角度。如圖4一5所示為步

7、進(jìn)電動機(jī)矩角特性。負(fù)載轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為:上一頁下一頁返回第7頁，共43頁。任務(wù)一 步進(jìn)電動機(jī) 3.矩頻特性步進(jìn)電動機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生的最大輸出轉(zhuǎn)矩與控制脈沖頻率之間的關(guān)系稱為矩頻特性。圖4一6所示為步進(jìn)電動機(jī)矩頻特性圖。 由圖4 -6可知隨著控制脈沖頻率增加，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速逐步升高，而帶負(fù)載能力卻下降。主要原因是定子繞組電感的影響。上一頁返回第8頁，共43頁。任務(wù)二 步進(jìn)電動機(jī)的PLC控制一、步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)的組成步進(jìn)電動機(jī)是由電脈沖控制運(yùn)動的，步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖4 -8所示，由控制裝置發(fā)出指令脈沖，控制步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行速度、位移，控制裝置常采用單片機(jī)或可編程控制器PLC1

8、.脈沖分配器它接收來自控制器的脈沖信號和轉(zhuǎn)向信號，把脈沖信號按一定的邏輯關(guān)系分配到每一相脈沖放大器上，使步進(jìn)電動機(jī)按選定的運(yùn)行方式工作。由于步進(jìn)電動機(jī)各相繞組是按一定的通電順序并不斷循環(huán)來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)功能的，因此脈沖分配器也稱為環(huán)形分配器。2.功率放大器下一頁返回第9頁，共43頁。任務(wù)二 步進(jìn)電動機(jī)的PLC控制二、YKA2404MC驅(qū)動器 YKA2404 M C為具有細(xì)分功能的兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器，其外形如圖4 -9 (a)所示。1. YIA2404MC端子說明圖4一9 (b)為YKA2404 MC端子圖，表4一1為各端子說明。 2. DIP功能設(shè)定開關(guān)在YKA2404 MC驅(qū)動器的側(cè)面連接

9、端子中間有一個六位DIP功能設(shè)定開關(guān)，可以用來設(shè)定驅(qū)動器的工作方式和工作參數(shù)。如圖4一10所示為DIP功能設(shè)定開關(guān)圖。 上一頁下一頁返回第10頁，共43頁。任務(wù)二 步進(jìn)電動機(jī)的PLC控制在圖4一10中，D3, D4, D5, D6是步進(jìn)驅(qū)動器的細(xì)分設(shè)定開關(guān)，細(xì)分是控制精度的標(biāo)志，通過增大細(xì)分能改善精度。步進(jìn)電動機(jī)都有低頻振蕩的特點(diǎn)，如果電動機(jī)需要在低頻共振區(qū)工作，細(xì)分驅(qū)動器是很好的選擇。細(xì)分驅(qū)動方式不僅可以減小步進(jìn)電動機(jī)的步距角，提高分辨率，而且可以減少或消除低頻振動，使電動機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)均勻。表4一2為YKA2404 MC步進(jìn)驅(qū)動器細(xì)分設(shè)定表。三、步進(jìn)電動機(jī)的選用3S57Q -04056步進(jìn)

10、電動機(jī)步距角為1. 80，即在無細(xì)分的條件下200個脈沖電動機(jī)轉(zhuǎn)一圈(通過驅(qū)動器設(shè)置細(xì)分精度最高可以達(dá)到10 000個脈沖電動機(jī)轉(zhuǎn)一圈)。輸送工作單元步進(jìn)傳動組件采用同步輪和同步帶傳動，同步輪齒距為5 mm，共12個齒，步進(jìn)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)一周工作臺位移60 mm，即每步工作臺位移0. 006 mm;電動機(jī)驅(qū)動電流設(shè)為5. 2 A;靜態(tài)鎖定方式為靜態(tài)半流。四、S7 - 200 PLC高頻脈沖輸出控制上一頁下一頁返回第11頁，共43頁。任務(wù)二 步進(jìn)電動機(jī)的PLC控制 S7 - 200有兩個PTO/PWM發(fā)生器，它們可以產(chǎn)生一個高速脈沖串服務(wù)(PTO)或者一個脈寬調(diào)制(PWM)波形。PTO能夠輸出一個頻

11、率可調(diào)，占空比為50%的脈沖，而PWM輸出占空比可調(diào)的脈沖，產(chǎn)生的高速脈沖通過數(shù)字輸出點(diǎn)Q0. 0或Q0. 1輸出。高速脈沖指令格式見表4一3 1.控制字節(jié)特殊存儲器每個PTO/PWM脈沖發(fā)生器有一個控制字節(jié)寄存器、一個16位無符號周期值設(shè)定寄存器、一個脈寬值設(shè)定寄存器和一個犯位無符號脈沖計數(shù)值寄存器，它們分別占有指定的特殊功能寄存器，一旦特殊功能寄存器的值設(shè)置完成，PLC可通過執(zhí)行脈沖指令PLS實(shí)現(xiàn)設(shè)置好的功能。各特殊功能寄存器的定義分別見表4 -4一表4 -7.上一頁下一頁返回第12頁，共43頁。任務(wù)二 步進(jìn)電動機(jī)的PLC控制 2. PTO的使用PTO是可以指定脈沖數(shù)和周期的占空比為50%

12、的高速脈沖串的輸出。狀態(tài)字節(jié)中的最高位(空閑位)用來指示脈沖串輸出是否完成?？稍诿}沖串完成時啟動中斷程序，若使用多段操作，則在包絡(luò)表完成時啟動中斷程序。1)周期、脈沖數(shù)、脈沖序列 2 PTo的種類及特點(diǎn)PTo功能允許脈沖序列排隊(duì)，從而形成單段序列和多段序列。當(dāng)激活脈沖序列完成時，新脈沖序列輸出立即開始，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)輸出脈沖序列的連續(xù)性。單段序列是指序列中每次只能存儲一個脈沖串的控制參數(shù)，初始PTo段一旦啟動，必須按照對第二個波形的要求立即刷新SM，并再次執(zhí)行PLS指令，第一個脈沖串完成，第二個波形輸出立即開始，通過重復(fù)存儲新的脈沖序列屬性，可以實(shí)現(xiàn)多個脈沖串的輸出。上一頁下一頁返回第13頁，共4

13、3頁。任務(wù)二 步進(jìn)電動機(jī)的PLC控制多段序列是指在變量存儲區(qū)V中建立一個包絡(luò)表。包絡(luò)表存放每個脈沖串的參數(shù)，執(zhí)行PLS指令時，S7 - 200 PLC自動按包絡(luò)表中的順序讀取各脈沖序列段的參數(shù)，進(jìn)行脈沖串輸出。包絡(luò)表中每個脈沖序列段參數(shù)由2字節(jié)的周期值、周期增量值和4字節(jié)的脈沖計數(shù)值組成，其格式見表4一8 (2) PLC硬件連接圖。PLC由Q0. 0輸出脈沖序列給YKA2404 M C步進(jìn)驅(qū)動器PU端，控制步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行速度，Q0. 2與YKA2404 MC步進(jìn)驅(qū)動器DR端連接，控制步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行方向，PLC硬件連接圖如圖4一12所示(3) PLC程序清單。其程序如圖4一13所示。上一頁返

14、回第14頁，共43頁。圖4 -1步進(jìn)電動機(jī)及結(jié)構(gòu)剖面圖返回第15頁，共43頁。圖4 -2三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)示意圖返回第16頁，共43頁。圖4一3三相單三拍工作原理圖返回第17頁，共43頁。圖4一4三相六拍工作原理圖返回第18頁，共43頁。圖4 -5步進(jìn)電動機(jī)矩角特性返回第19頁，共43頁。圖4 -6步進(jìn)電動機(jī)矩頻特性返回第20頁，共43頁。圖4一7步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行過程圖返回第21頁，共43頁。圖4-8步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)框圖返回第22頁，共43頁。圖4一9 YKA2404MC外形和端子圖返回第23頁，共43頁。第24頁，共43頁。第25頁，共43頁。表4一1端子說明返回第26頁，共43頁。表4一1端子說明返回第27頁，共43頁。圖4一10 DIP功能設(shè)定開關(guān)圖返回第28頁，共43頁。表4一2步進(jìn)驅(qū)動器細(xì)分設(shè)定表返回第29頁，共43頁。表4-3高速脈沖輸出指令格式和功能返回第30頁，共43頁。表4 -4 PTO/PWM輸出控制字節(jié)下一頁第31頁，共43頁。表4 -5 PTO/PWM輸出周期值下一頁第32頁，共43頁。表4一6 PTO/PWM輸出脈寬值下一頁第33頁，共43