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1、2023/1/8,综合实训项目-步进电机的PLC控制,2023/1/8,2023/1/8,步进电动机的工作原理与特点,原理：步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。它的运动形式是步进式的。,特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，改变转动方向。(4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比.,步进电机的结构和工作原理1.步进电机结构 步进电机可分为反应式和励磁式两大类。两类的区别在于反应式步进电机转子上无励磁绕组，转子上出现的磁极是由于定于绕组通电后产生的磁场而生成
2、的。两类步进电机的动作原理相同，这里以反应式步进电机为例进行分析。图5-41是一种三相反应式步进电机，它由定子与转子两部分构成。电机定子上有六个磁极，每个极上装有控制绕组，每两个相对的磁极组成一相。,步进电机的转动受脉冲信号控制，每来一个脉冲信号，定子绕组通电的状态就改变一次，而定子绕组通电后产生的磁场对转子产生作用将使转子产生一个角位移。改变步进电机定子绕组通电状态的电路称为脉冲分配器。控制脉冲信号来到后，先送到脉冲分配器，经过分配器输出的信号决定各定子绕组通电的顺序和步进电机转动的速度。步进电机控制电路框图如图5-42 所示。从分配器输出的脉冲信号还需经过功率放大之后才能送至步进电机的定子
3、绕组。,2023/1/8,工作方式,步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。,一、三相单三拍,（1）三相绕组联接方式：Y 型,2023/1/8,（3）工作过程,引转子，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、定子的齿对齐停止转动。,A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸,A 相通电使转子1、3齿和 AA 对齐。,2023/1/8,B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；,C相通电再转30,2023/1/8,这种
4、工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。,三相单三拍的特点：,（1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步距角，用S表示。,（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。,2023/1/8,二、三相单双六拍,三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA 共六拍。,工作过程：,A相通电，转子1、3齿和A相对齐。,2023/1/8,所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。,（1）BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针 方向转动。,A、B相同时通电,（2）AA 磁场继续对1、3齿有拉
5、力。,2023/1/8,总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。,B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。,2023/1/8,三、三相双三拍,三相绕组的通电顺序为：AB BC CA AB 共三拍。,2023/1/8,工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即 S=30。,2023/1/8,步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。,N:一个周期的运行拍数,即通电状态循环一周需要改变的次数Zr：转子齿数,如：Zr=40,N=3 时,步距角,细分：细分就是指电机运行时的实际步矩角是基本步矩角的几分之一。如：驱动器工作在10细分状态时，其步
6、矩角只为电机固有步矩角的十分之一，也就是说：当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.8，而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了0.18。细分功能完全是由驱动器靠精度控制电机的相电流所产生的，与电机无关。,改变步进电机定子绕组通电状态的电路称为脉冲分配器。控制脉冲信号来到后，先送到脉冲分配器，经过分配器输出的信号决定各定子绕组通电的顺序和步进电机转动的速度。,步进驱动器原理,从步进电机的转动原理可以看出，要使步进电机正常运行，必须按规律控制步进电机的每一相绕组得电。步进驱动器接收外部的信号是方向信号（DIR）和脉冲信号（CP）。另外步进电机在停止时，通常
7、有一相得电，电机的转子被锁住，所以当需要转子松开时，可以使用脱机信号（FREE）.,步进驱动器,环型分配器的功能：主要是把外部CP端送入的脉冲进行分配，给功率放大器，功率放大器相应的晶体管导通，步进电机的线圈得电。,（3）步进电机驱动器的端子与接线,PLC与步进电机驱动器，步进电机驱动器与步进电机的接线：,2023/1/8,步进电动机的驱动,步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分组成。,高速脉冲输出,高速脉冲输出有脉冲串输出PTO和脉宽调制输出PWM两种形式。每个CPU有两个PTO/PWM发生器，一个发生器分配给输出端Q0.0，另一个分配给Q0.1
8、。当Q0.0或Q0.1设定为PTO或PWM功能时，其他操作均失效。不使用PTO/PWM发生器时，Q0.0或Q0.1作为普通输出端子使用。通常在启动PTO或PWM操作之前，用复位R指令将Q0.0或Q0.1清0。,脉冲串输出（PTO）,PTO功能可输出一定脉冲个数和占空比为50%的方波脉冲。输出脉冲的个数在1-4 294 967 295范围内可调；输出脉冲的周期以s或ms为增量单位，变化范围分别是1065 535s或265 535ms。如果周期小于两个时间单位，周期被默认为两个时间单位。如果指定的脉冲数为0，则脉冲数默认为1。PTO功能允许多个脉冲串排队输出，从而形成流水线。流水线分为两种：单段流
9、水线(流水线中只能存储一个脉冲串的控制参数）和多段流水线（需建立包络表，执行时可按包络表的顺序输出多个脉冲串）。,每个高速脉冲发生器对应一定数量特殊标志寄存器，这些寄存器包括控制字节寄存器、状态字节寄存器和参数数值寄存器，用以控制高速脉冲的输出形式、反映输出状态和参数值。各寄存器分配如表所示。,控制字节每个高速脉冲输出都对应一个控制字节，通过对控制字节中指定位的编程，可以根据操作要求设置字节中各控制位，如脉冲输出允许、PTO/PWM模式选择、单段/多段选择、更新方式、时间基准、允许更新等。控制字节中各控制位的功能如表所示。,高速脉冲串输出PTO,（1）周期和脉冲数（2）PTO的种类（3）中断事
10、件类型（4）PTO的使用,（1）周期和脉冲数,周期：单位可以是微秒s或毫秒ms；为16位无符号数据，周期变化范围是5065535s或265535ms，通常应设定周期值为偶数，若设置为奇数，则会引起输出波形占空比的轻微失真。如果编程时设定周期单位小于2，系统默认按2进行设置。脉冲数：用双字长无符号数表示，脉冲数取值范围是14294967295之间。如果编程时指定脉冲数为0，则系统默认脉冲数为1个。,（4）PTO的使用,使用高速脉冲串输出时，要按以下步骤进行：确定脉冲发生器及工作模式 设置控制字节 写入周期值、周期增量值和脉冲数(装入包络的首地址)(设置中断事件并全局开中断)执行PLS指令,高速脉
11、冲输出指令,1指令格式及功能,说明：1）高速脉冲串输出PTO和脉宽调制输出PWM都由PLS指令来激活；2）操作数X指定脉冲输出端子，0为Q0.0输出，1为Q0.1输出；3）高速脉冲串输出PTO可采用中断方式进行控制，而脉宽调制输出PWM只能由指令PLS来激活。,功能：当使能端输入有效时，PLC首先检测为脉冲输出位（X）设置的特殊存储器位，然后激活由特殊存储器位定义的脉冲操作,2PTO/PWM指令编程举例,四、基于PLC与步进电机的小车自动往返控制,项目一：步进电机正反转控制,用S7-200 PLC控制步进电机正转与反转。把步进电机驱动器的D2设置为OFF，即PU为步进脉冲信号，DR为方向控制信号。PLC的Q0.0输出高速脉冲至步进电机驱动器的PU端，Q0.1控制步进电机反转。对应小车的运行各输出点分配如下：正转启动，I0.0；反转启动，I0.1；向左运行，Q0.0发脉冲，Q0.1为OFF；向右运行，Q0.0发脉冲，Q0.1为ON；停止，Q0.0停止发脉冲，Q0.1为OFF。,控制程序如图所示。,
