第五章--PLC的步进电机控制系统.ppt

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1、第五章 PLC 的步进电机控制系统 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。一般电动机是连续旋转的，而步进电机的转动是一步一步进行的。每输入一个脉冲电信号，步进电机就转动一个角度。通过改变脉冲频率和数量，即可实现调速和控制转动的角位移大小，具有较高的定位精度，其最小步距角可达0.75，转动、停止、反转反应灵敏、可靠。在开环数控系统中得到了广泛的应用。5.1 步进电机的分类、基本结构和工作原理 步进电机的分类1.永磁式步进电机2.反应式步进电机3.混合式步进电机 步进电机的基本结构和工作原理步进电机的分类 1.永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5 度或15 度。2.

2、反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5 度，但噪声和振动都很大。3.混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相。两相步进角一般分为1.8 度而五相步进角一般为0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛。步进电机的基本结构和工作原理 三相反应式步进电机的结构如图所示 定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的。定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C 三相。步进电机的基本结构和工作原理 在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿，采用适当的齿数配合，当A 相磁极的小齿与转子小齿一一对应时，B 相磁极的小齿与转子小齿相互错开1/3 齿

3、距，C 相则错开2/3 齿距。如图所示步进电机的基本结构和工作原理 上图中，A 相绕组与齿1、5 一一对应，而此时B 相绕组与齿2 错开1/3 齿距，而与齿3 错开2/3 齿距，C 相绕组与齿3 错开2/3 齿距，而与齿4 错开1/3 齿距。电机的位置和速度由绕组通电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由绕组通电的顺序决定。步进电机的基本结构和工作原理 步进电机的基本参数主要有以下内容 1 电机固有步距角 2 步进电机的相数 3 保持转矩（HOLDINGTORQUE）4 钳制转矩（DETENTTORQUE）1 电机固有步距角 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂

4、时给出了一个步距角的值，这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。2 步进电机的相数：步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。3 保持转矩（HOLDINGTORQUE）保持转矩是指步进电机通电但没有转动时

5、，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m 的步进电机。4 钳制转矩（DETENTTORQUE）钳制转矩是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。步进电机主要有以下特点 1 一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。步进电机主要有以下特点 2 步进电机外表

6、允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点。步进电机温度过高时会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130 度以上，有的甚至高达摄氏200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90 度完全正常。步进电机主要有以下特点 3 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。步进电机主要有以下特点 4 步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度

7、就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。5.2 步进电机在工业控制领域的主要应用情况介绍 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种家电产品中，例如打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂和录像机等。另外步进电机也广泛应用于各种工业自动化系统中。由于通过控制脉冲个数可以很方便

8、的控制步进电机转过的角位移，且步进电机的误差不积累，可以达到准确定位的目的。还可以通过控制频率很方便的改变步进电机的转速和加速度，达到任意调速的目的，因此步进电机可以广泛的应用于各种开环控制系统中5.3 西门子PLC对步进电机的控制方法 PLC 直接控制步进电机 西门子PLC 与步进电机驱动器控制步进电机 高频脉冲输出控制举例PLC 直接控制步进电机 使用PLC 直接控制步进电机时，可使用PLC 产生控制步进电机所需要的各种时序的脉冲。例如三相步进电机可采用三种工作方式：三相单三拍 三相双三拍 三相单六拍PLC 直接控制步进电机 可根据步进电机的工作方式，以及所要求的频率（步进电机的速度），画

9、出A、B、C 各相的时序图。并使用PLC 产生各种时序的脉冲 例如：采用西门子S7-300PLC 控制三相步进电机的过程。要求通过PLC 可实现三相步进电机的起停控制、正反转控制，以及三种工作方式的切换（每相通电时间为1 秒钟）。采用西门子S7-300PLC 控制三相步进电机的过程 变量约定如下 输入：启动按钮SB1：I0.0 方向选择开关SA1：I0.1 停止按钮SB2：I0.2 三相单三拍方式选择SA2：I0.3 三相双三拍方式选择SA3：I0.4 三相单六拍方式选择SA4：I0.5采用西门子S7-300PLC 控制三相步进电机的过程 输出：A 相加电压：Q0.0 B 相加电压：Q0.1

10、C 相加电压：Q0.2 启动指示灯：Q0.3 三相单三拍运行方式：Q0.4 三相双三拍运行方式：Q0.5 三相单六拍运行方式：Q0.6 输出脉冲显示灯：Q0.7采用西门子S7-300PLC 控制三相步进电机的过程 三相单三拍正向的时序图如图所示采用西门子S7-300PLC 控制三相步进电机的过程 三相双三拍正向的时序图如图所示采用西门子S7-300PLC 控制三相步进电机的过程 三相单六拍正向时序图如图所示PLC 直接控制步进电机 编程方法 1 使用定时器指令实现各种时序脉冲的要求：使用定器产生不同工作方式下的工作脉冲，然后按照控制开关状态输出到各相对应的输出点控制步进电机。编程方法 1 例如

11、：使用图所示的程序可以产生所需要的脉冲：编程方法 M0.0 作为总控制状态位，控制脉冲发生指令是否启动。一旦启动，采用T0、T1、T2 以及它们的组合可以得到三相单三拍和三相双三拍的两种工作方式下，各相的脉冲信号。如T0 的状态为三相单三拍工作状态下A 相的脉冲。同理可使用类似程序得到三相单六拍时各相所需的脉冲信号。编程方法 2 使用移位指令实现各相所需的脉冲信号。例如在MW10 中进行移位，每次移位的时间为1 秒钟。如图为三相单六拍正向时序流程图，三相单三拍可利用相同的流程图，从M11.1 开始移位，每次移两位，而三相双三拍从M11.2 开始，每次移两位。编程方法 在程序段1 中，先产生周期

12、为1 秒钟的脉冲信号，如图所示：编程方法 在不同的工作方式下赋予MW10 不同的初值，如图程序段24 所示编程方法 程序段2：三相单三拍或三相单六拍工作方式，此时均从M11.0 开始移位，两种工作方式均为M11.6 为“1”时返回。程序段3：三相双三拍工作方式，此时从M11.1 开始因为，而在M11.7 时返回。程序段4：若按下停止按钮或没有选择工作方式时，MW10 中的内容为“0”，则不会有输出。编程方法 在不同的工作方式下，将移位指令移动的位数保存在MW20 中，程序如图所示编程方法 程序段5：三相单三拍或三相双六拍，每次应移动2 位。程序段6：三相单六拍，每次应移动一位。程序段7 为移位

13、指令，由于T1 的周期为1 秒钟，因此每间隔1 秒钟，移位指令左移指定的位数。再将MW10 中对应的位控制相应的输出，可实现步进电机的控制。步进电机的反向控制可根据相同的办法来实现。西门子PLC 与步进电机驱动器控制步进电机 在对步进电机进行控制时，常常会采用步进电机驱动器对其进行控制。步进电机驱动器采用超大规模的硬件集成电路，具有高度的抗干扰性以及快速的响应性，不易出现死机或丢步现象。使用步进电机驱动器控制步进电机，可以不考虑各相的时序问题（由驱动器处理），只要考虑输出脉冲的频率（控制驱动器CP 端），以及步进电机的方向（控制驱动器的DIR 端）。PLC 的控制程序也简单得多。西门子PLC

14、与步进电机驱动器控制步进电机 但是，在使用步进电机驱动器时，往往需要较高频率的脉冲。因此PLC 是否能产生高频脉冲成为能否成功控制步进电机驱动器以及步进电机的关键。西门子CPU312C、CPU313C、CPU313-2DP等型号，集成有用于高速计数以及高频脉冲输出的通道，可用于高速计数或高频脉冲输出。西门子PLC 与步进电机驱动器控制步进电机 下面以CPU313C 为例，说明高频脉冲输出的控制过程。CPU313C 集成有3 个用于高速计数或高频脉冲输出的特殊通道，3 个通道位于CPU313C 集成数字量输出点首位字节的最低三位，这三位通常情况下可以作为普通的数字量输出点来使用。再需要高频脉冲输

15、出时，可通过硬件设置定义这三位的属性，将其作为高频脉冲输出通道来使用。西门子PLC 与步进电机驱动器控制步进电机 作为普通数字量输出点使用时，其系统默认地址为Q124.0、Q124.1、Q124.2（该地址用户可根据需要自行修改），作为高速脉冲输出时，对应的通道分别为0通道、1 通道、2 通道（通道号为固定值，用户不能自行修改）。每一通道都可输出最高频率为2.5KHZ（周期为0.4ms）的高频脉冲。西门子PLC 与步进电机驱动器控制步进电机 如图所示：CPU313C 中，X2 前接线端子22、23、24 号接线端子分别对应通道0、通道1、和通道3。另外，每个通道都有自己的硬件控制门，0 通道的

16、硬件门对应X2前接线端子的4 号接线端子，对应的输入点默认地址为I124.2。1 通道硬件门7 号接线端子，对应的输入点默认地址为I124.5，而2 号通道硬件门为12 号接线端子，对应的输入点默认地址为I125.0。西门子PLC 与步进电机驱动器控制步进电机西门子PLC 与步进电机驱动器控制步进电机 控制通道产生高频脉冲分为以下两个步骤 硬件设置。调用系统功能块SFB49。1 硬件设置 要想使这三个通道输出高频脉冲，首先必须进行硬件设置。硬件设置的过程如下：（1）首先创建一个项目，CPU 型号选择为CPU313C，如图所示1 硬件设置（2）双击SIMATIC300Station 下的hard

17、ware 进入硬件组态工具软件进行硬件设置如图所示。1 硬件设置 在硬件组态工具中可以看到CPU313C 集成有24 点数字量输入（DI24）、16 点数字量输出（DO16）、5 通道模拟量输入（AI5）和2 通道的模拟量输出（AO2）。另外还有计数功能（count），高频脉冲的属性设置就在count 中设置。这里的计数器是针对计数频率要求较高的场合。双击count（如图5.3.11 所示），可进行高速计数、频率控制以及高频脉冲输出属性设置对话框。1 硬件设置（3）双击count 可进入计数器属性对话框如图所示3通 道：以30kHz 进 行 计 数 或 频 率测 量，以2.5kHz 切 换 频

18、 率、计 数频率进行脉宽调制1 硬件设置 在对话框中，Channe 为通道选择，在其后面下拉菜单中，可以选择要设置的通道号，CPU313C 有三个通道号可以选择，既0、1、2，用户可以根据自己的需要对某个通道或三个通道进行分别设置。Operating 为工作模式，在其后面的下拉菜单中有5 种工作模式可以选择（如上图所示）。1 硬件设置 这里只介绍通道作为高频脉冲输出时的工作模式。要想在对应通道产生高频脉冲，必须选择最后一种工作模式：Pulse-widthmodulation（脉宽调制）。在Short（简述）中可以看到，每个通道进行高速计数或频率测量时，最大频率可达30kHz；而作为高频脉冲输出

19、时，最大频率为2.5kHz。1 硬件设置 选择Pulse-widthmodulation 选项以后，将出现默认值设置对话框如下图所示1 硬件设置（4）设置脉冲参数：在上图的对话框中选择OK，对应通道被设置脉宽调制工作方式，脉冲参数将被设置为默认值。计数器属性对话框会出现一个新的标签，Pulse-WidthModulation 标签，选择此标签可对脉宽参数进行设置，如下图所示1 硬件设置1 硬件设置 OperatingParameters（操作参数）中各参数意义如下：Outputformat：Permile，S7analogvalue 输出格式（output-format）有两种选择，每密耳（P

20、ermile）和S7 模拟量值（S7analogvalue）。选择Permil，则输出格式取值范围为（01000），选择S7analogvalue，则输出格式取值范围为（027648，S7模拟量的最大取值为27648）。输出格式的取值在调用系统功能块SFB49 时设置的，这一取值将会影响输出脉冲的占空比，具体内容将在后面介绍SFB49 时提到。1 硬件设置 Timebase：1ms，0.1ms 时基（Timebase）也有两种选择，用户可根据实际需要选择合适的时基，要产生频率较高的脉冲，可选择较短的时基（0.1ms）。On-delay：接通延时时间值 接通延时（On-delay）是指，当控制条

21、件成立时，对应通道将延时指定时间后输出高频脉冲。指定时间值为设置值*时基。取值范围为0655351 硬件设置 Period：指定输出脉冲的周期。取值范围为465535 周期为设置值*时基。Minimumpulse：指定最小的脉冲宽度 指定输出脉冲的最小脉宽，最小脉宽的取值范围为2Period/2。注意：在指定了最小脉冲宽度以后，应该保证根据占空比计算出来的高低电平的时间不小于最小脉冲宽度，否则脉冲将不能正常输出。请参看系统功能块SFB49 使用方法。1 硬件设置 Input：Hardwaregate 通过输入参数选择是否采用硬件门控制，如果选中硬件门前面的方框，则高频脉冲的控制需要硬件门和软件

22、门同时控制，如果不选，则高频脉冲输出单独由软件门控制。具体控制控制方法将在后面的SFB49介绍中提到。1 硬件设置 HardwareInterrupt：Hardwaregateopening 硬件中断选择，一旦选中硬件门控制以后，此选项将被激活，用户可根据需要选择是否在硬件门起动时刻，调用硬件中断组织块OB40 中的程序。1 硬件设置 将通道的硬件参数设置好以后，按OK键，如果还需要设置其它通道，可以再次双击count，重新进入计数器属性对话框对其它通道进行设置。将组态好的硬件数据进行保存编译（saveandcompile），并下载到PLC 中，完成硬件设置工作。要想在相应的通道上获得脉冲，除

23、了硬件设置以外，还必须在程序中调用产生脉冲的系统功能块SFB49（符号名为“PULSE”）。2 调用系统功能块SFB49（1）选中项目下最后一级子菜单Blocks，并双击Blocks 中的OB1 进入程序编辑器，在OB1 中，调用SFB49。过程如下：在指令集工具中，找到library（库）-standardlibrary（标准库）-systemFunctionBlocks（系统功能块）菜单，并双击该菜单下的系统功能块SFB49 进行调用2 调用系统功能块SFB49 如图所示2 调用系统功能块SFB49 在使用系统功能块时，必须指定其背景数据块。如上图，在红色问号处，指定SFB49 的背景数据

24、块（例如：DB1、DB2）。如背景数据还未建立，填写数据块后（如填DB10），则程序编辑器将自动建立DB10 为SB49 的背景数据块。2 调用系统功能块SFB49（2）分配系统功能块SFB49 的参数。系统功能块SB49 的参数很多，在使用时，用户可根据自己的控制需要进行选择性填写。其各个参数意义如下表所示2 调用系统功能块SFB49输入参数 数据类型地址DB说明 取值范围 缺省值LADDR WORD 0 子模块的I/O 地址，由用户在HW 配置 中指定。如果I 和Q 地址不相等，则必须指定二者中较低的一个。CPU 专用 W#16#300CHANNELINT 2指定的通道号CPU312C：C

25、PU313C：CPU314C：0到10到20 到3 0SW_EN BOOL 4.0软件门：控制脉冲输出TRUE/FALSEFALSEMAN_DO BOOL 4.1 手动输出控制使能 TRUE/FALSEFALSESET_DO BOOL 4.2 控制输出 TRUE/FALSEFALSE2 调用系统功能块SFB49OUTP_V ALINT 6.0输出值设置输出格式为Per mil 时：0 1,000输出格式位为S7 analog value 时：027,648010000276480JOB_REQ BOOL 8.0作业初始化控制端（上升沿有效）TRUE/FALSEFALSEJOB_ID WORD 10作业号W#16#0=无功能作业W#16#1=写周期W#16#2=写延时时间W#16#4=写最小脉冲周期W#16#81=读周期W#16#82=读延时时间W#16#84=读最小脉冲周期W#16#0 W#16#1W#16#2W#16#4 W#16#81 W#16#82 W#16#84 W#16#0 JOB_V AL DINT 12 写作业的值(设置值乘以时基为实际时间值)-231至+231-1L#0