试验五 步进电机单轴定位控制试验

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一、试验目的

1.学习和把握步进电机及其驱动器的操作和使用方法；2.学习和把握步进电机单轴定位控制方法；3．学习和把握PLC单轴定位模块的基本使用方法。

二、试验原理

步进电动机是一种将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移量的机电执行元件，即步进电动机输入的是电脉冲信号，输出的是角位移或直线位置。每给一个脉冲，步进电动机转动一个角度，这个角度称为步距角。运动速度正比于脉冲频率，角位移正比于脉冲个数。

步进电动机典型控制系统框图如图1-2-9所示。

位置控制单元步进电动机驱动器图1-2-9步进电动机典型控制系统框图

位置控制单元可根据需要的频率和个数以及设定的加减时间控制步进电动机运动。由于步进电动机需要正反转运动，因此定位单元的输出脉冲形式有“脉冲＋方向〞和“正脉冲＋负脉冲〞两种，它们均可控制步进电动机正反转运动。输出脉冲形式通过参数设定来选择。其脉冲形式如图1-2-10所示。

(b)正脉冲＋负脉冲

正向脉冲正转反向脉冲反转(a)脉冲＋方向

脉冲信号方向信号正转反转步进电动机

图1-2-10定位模块的两种输出脉冲形式

由于步进电动机的电磁惯性和所驱动负载的机械惯性，速度不能突变，因此定位模块要控制升降频过程。步进电机升、降频过程如图1-2-11。一般状况下，S2＝S3。

频率（HZ）f1

S1图1-2-11步进电机升、降频示意图

其中：f1——设定的运行频率，应小于步进电动机的最高频率；

S1——设定的总脉冲个数；

S2——升频过程中脉冲个数，由加速时间和运行频率确定；S3——降频过程中脉冲个数，由减速时间和运行频率确定。

步进电动机驱动器将位置定位模块的输出脉冲信号进行分派并放大后驱动步进电动机的各相绕组，依次通电而旋转。驱动器也可接受两种不同形式的脉冲信号，通过开关来选择，定位模块和驱动器的脉冲形式要一致。另外，为了提高步进电动机的低频性能，驱动器一般具有细分功能，多个脉冲步进电动机转动一步，细分系数一般为1、2、4、8、16、32等几种，通过拨码开关来设定。

步进电动机驱动生产机械的运动部件。

脉冲数（PLS）

S2S3

图1-2-12试验系统结构框图

位置定位模块、步进电动机及驱动器种类好多，本试验中采用的是三菱FX2N系列PLC中的双轴定位模块FX2N-20GM，该模块与PLC相连，可以单独或同时控制两个步进电动机，

步进电动机和驱动器为和利时产品。试验系统结构框图如图1-2-12所示。

工作原理：PLC及20GM实现对步进电动机系统的通电控制和定位控制，步进电动机通过丝杆带动工作台做直线运动。

步进电动机转动一步机械实际移动的位移量称为脉冲当量，脉冲当量是数控系统中很重要的参数。试验系统中，步进电动机与丝杆直接连接，因此，脉冲当量的计算公式为：

脉冲当量＝丝杆螺距/｛3600/（步距角×细分系数）｝

在试验系统中，丝杆的螺距为5mm，步进电动机的步距角为1.80，细分系数为所设定的数据。

正限位和负限位开关的安装位置由丝杆的导程确定，保证丝杆不被损坏，即当这两个开关的位置确定后，定位模块保证工作台的运动只能在这两个行程开关之间进行。

原位开关用来确定机械坐标原点的位置。位置控制模块回原点操作，就是使机械原点和电气原点统一。

三、试验内容及步骤

(一)系统通电和准备

1．在断电的状况下，按图1-2-13接线（虚线框外的连线已接好）；2．征得老师同意后，合上断路器QF1和QF2；

3．将编程电缆连于PLC上，利用PC机上的编程软件“FXGP/WIN-C〞向PLC输入PLC控制程序（此时，PLC处于中止运行状态）；

4．将编程电缆连于20GM上，利用PC机上的定位软件“FXVPS-E〞向20GM输入定位程序（此时，20GM的状态开关拔向手动位置“MANU〞）；

5．将PLC设置为运行状态，运行PLC，Y30输出1，KA1得电，接触器KM2的主触头闭合，驱动器SH-20403得电；

6．将20GM的状态开关拔向自动位置“AUTO〞，运行20GM；

7．按“复位〞按钮，X轴原位，此时的位置为坐标原点，记录下来该位置A。（二）基本定位

1．设定步进电动机细分系数为8（试验中以按该系数进行了脉冲当量的计算和设定）；2．设定相对于A点的目标位置（单位为mm，正值在A点的右边，负值在A点的左边）和运动速度（单位为cm/min），把它们用参数设定的方法分别输入到位置量寄放器D2（实

验程序定义）和速度寄放器D4（试验程序定义）中；

3．按“启动〞按钮，X轴以设定的速度运动到指定的位置B，观测运动速度，运动终止后，测量A到B之间的距离，与设定位置比较；

4．重新设定目标位置和运动速度，重复3；5．设定目标位置为0，让工作台回到A点。（三）细分

1．使细分系数不为8；2．设定位置值和运动速度；

3．按“启动〞按钮，X轴以设定的速度运动到指定的位置B，观测运动速度，运动终止后，测量A到B之间的距离，与设定位置比较；

4．设定目标位置为0，让工作台回到A点。（四）频率特性试验

1．设定步进电动机细分系数为1，输入20GM的步进特性试验程序；

2．当步进电动机的运行频率大于最高运行频率时，步进电动机遇失步，影响定位精度，步进电动机应工作在最大运行频率以下。试验中所使用步进电动机的最大运行频率大约为1KHz，计算出运动机构的最高运动速度；

3．设定位置值和运行速度，并使运行速度大于最高运动速度；

4．按“启动〞按钮，观测运动机构的运动想象，运动终止后测量运动的实际位置；5．步进电机在较低的频率下运行时，步进电机就会振动，从而引起机械振动。步进电机应避免在振动频率下运行。试验中所用步进电动机的振动频率大约为200脉冲/S以下，计算出相对应的机械运动速度；

6．设定位置值和运行速度，并使运行速度在振荡速度区间；7．重复4；

图1-2-13控制系统接线图

四、试验说明及本卷须知

1．A点一定通过回原点得到；

2．系统中坐标为相对坐标，因此运动前后的位置值要不同，工作台才有移动；3．回原位后，测量一下A点到左边行程开关之间的距离（负向位置最大值）和A点到右边行程开关的距离（正向位置最大值）；

4．位置值设定为正时要小于正向位置最大值，位置值设定为负时要小于负向位置最大值。

五、试验用仪器工具

PC机1台PLC1台20GM1个RS232电缆线1根编程电缆