变频调速与伺服驱动技术 课件全套 项目1-5 变频及伺服技术认知 - 伺服驱动系统的应用

2023/11/27内容Contents

任务1.1电气传动技术认知一

任务1.1.2了解直流电动机的调试方法2

任务1.1.1认识电气传动系统1

任务1.1.3了解交流异步电动机的调试方法3

任务1.2认识电力电子器件二2023/11/27内容Contents

任务1.3.1变频调速原理入门1

任务1.3.2认识通用变频器2

任务1.3.4了解变频器的控制方式4

任务1.3认识通用变频器三

任务1.3.3了解变频器的分类3任务1.1电气传动技术认知

——任务1.1.1认识电气传动系统一、任务导入二、任务实施1.电气传动控制系统的组成及分类按照有无传感器,电气传动控制系统分为开环控制系统(无传感器反馈信号)闭环控制系统(有传感器反馈信号)1.电气传动控制系统的组成及分类按照工艺要求,电气传动控制系统分为调速控制系统位置控制系统(有传感器反馈信号)1.电气传动控制系统的组成及分类直流调速系统交流调速系统直流电气传动系统特点：控制对象：直流电动机控制原理简单，启制动性能好调速范围宽，对硬件要求不高

电机有换向器（换向火化）很难向高速、大容量发展使用环境受限，不适应恶劣现场维修量大、事故率高交流电气传动系统特点：控制对象：交流电动机结构简单，但控制原理复杂性能较差，对硬件要求较高电机无电刷，无换向火化问题电机功率设计不受限，功率大、转速高电机不易损坏，适应恶劣现场基本免维护20世纪80年代以前直流传动占统治地位，交流传动只在定速机械上使用。20世纪90年代中期交流变频调速逐渐成为调速领域的主角。直流电动机电枢电压只能做到1000多伏，转速每分钟数百转到1000多转。交流电动机电压可做到6～10kV，转速可达每分钟数千转。2.电气传动技术的发展概况从开环控制→闭环控制，从直流传动→交流传动任务1.1电气传动技术认知

——任务1.1.2了解直流电机的调速方法一、任务导入二、任务实施1.调压调速1.调压调速2.串电阻调速3.弱磁调速任务1.1电气传动技术认知

——任务1.1.3了解交流电机的调速方法一、任务导入1.变极调速

磁极对数p的改变，取决于电动机定子绕组的结构和接线。通过改变定子绕组的接线，就可以改变电动机的磁极对数。磁极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速n1电动机的同步转速取决于磁场的极对数。优点：具有较硬的机械特性,稳定性好缺点：级差大,不能实现无级调速,电动机体积大,制造成本高。

2.变转差率调速同步转速n0不变，临界转差率Sm不变3.变频调速任务1.2认识电力电子器件

一、任务导入二、任务实施1.电力电子器件的特征和分类1.电力电子器件的特征和分类1.电力电子器件的特征和分类2.晶闸管晶闸管的导通条件为:在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压,同时在晶闸管的门极与阴极之间也加正向触发电压,晶闸管才能导通。3.IGBT3.IGBT变频和伺服的逆变电路常采用模块化结构,将多个IGBT和续流二极管集成封装在一起。一般模块化结构产品有以下3种:3.IGBT变频和伺服的逆变电路常采用模块化结构,将多个IGBT和续流二极管集成封装在一起。一般模块化结构产品有以下3种:3.IGBT4.智能功率模块(IPM)任务1.3认识通用变频器

——任务1.3.1变频调速原理入门一、任务导入1．基频以下恒磁通（恒转矩）变频调速Φm∝U1ƒ1=constE1ƒ1=

为保持主磁通不变，必须在变频的同时变压，使得压频比为一常数。

一般频率是从额定频率f1N向下调，所以需要同时降低电源电压。因为变频的同时还要改变电压，所以称为V/f控制，也称为VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）。1．基频以下恒磁通（恒转矩）变频调速当定子电源频率f1

很低时,U1

也很低,这将引起低速时的最大输出转矩减小。可通过提高U1

来补偿ΔU的影响,使E1/f

1

不变,即Φm不变,这种控制方法称为电压补偿,也称为转矩提升。2.基频以上恒功率(恒电压)变频调速3.变频调速特性的特点任务1.3认识通用变频器

——任务1.3.2认识通用变频器一、任务导入二、任务实施1.主电路2.控制电路任务1.3认识通用变频器

——任务1.3.3了解变频器的分类一、任务导入一、任务导入1.按变换环节分类2.按直流电路的滤波方式分类3.按输出电压调制方式分类4.按变频控制方式分类任务1.3认识通用变频器

——任务1.3.4了解变频器控制方式一、任务导入二、任务实施1.V/f

控制方式2.转差频率控制方式3.矢量控制方式4.DTC方式2023/11/27内容Contents

任务2.1认识G120变频器一

任务2.1.2G120变频器功率模块的安装与接线2

任务2.1.1G120变频器的组成1

任务2.1.3G120变频器控制单元的安装与接线32023/11/27内容Contents

任务2.2.2认识BOP-2操作面板2

任务2.2.1G120的快速调试及常用参数1

任务2.2.3用BOP-2操作面板控制变频器正反转3

任务2.2变频器的面板运行二2023/11/27内容Contents

任务2.3.1认识预定义接口宏1

任务2.3.2使用Startdrive软件调试变频器2

任务2.3.4变频器的电流给定运行4

任务2.3认识通用变频器三

任务2.3.3变频器I/O端子功能的预置3

任务2.3.5设置变频器的指令源和设定值源5

任务2.3.6变频器的2/3线控制62023/11/27内容Contents

任务2.5.1多段速功能预置1

任务2.5.2变频器的7段速运行2

任务2.4变频器的电动电位器给定运行四

任务2.5变频器的多段速运行五2023/11/27内容Contents

任务2.6.1认识变频器的PID工艺控制器1

任务2.6.2变频器的单泵恒压供水控制2

任务2.6变频器的PID功能运行六任务2.1认识G120变频器

——任务2.1.1G120变频器的组成一、任务导入SINAMICS包括3个系列的产品:V系列、G系列和S系列。主要包括如下几种:二、任务实施1.G120变频器的组成SINAMICSG120是一款模块式变频器系统，其主要包含：功率模块（PM）和控制单元（CU）。1.G120变频器的组成控制单元1.G120变频器的组成功率模块2.控制单元2.控制单元2.控制单元2.控制单元2.控制单元

（1）PM230功率模块PM230功率模块是风机、泵类和压缩机专用模块，其功率因数高、谐波小。这类模块不能进行再生能量回馈，其制动产生的再生能量通过外接制动电阻转换成热量消耗。

（2）PM240功率模块PM240功率模块不能进行再生能量回馈，其制动产生的再生能量通过外接制动电阻转换成热量消耗。（3）PM240-2功率模块PM240-2功率模块不能进行再生能量回馈，其制动产生的再生能量通过外接制动电阻转换成热量消耗。PM240-2功率模块允许穿墙式安装。

（4）PM250功率模块PM250功率模块能进行再生能量回馈，其制动产生的再生能量通过外接制动电阻转换成热量消耗，也可以回馈电网，达到节能的目的。3.功率模块3.功率模块任务2.1认识G120变频器

——任务2.1.2G120变频器功率模块的安装与接线一、任务导入二、任务实施1.功率模块的安装●

将功率模块垂直安装在控制柜中，电源和电机端子朝下。●保持与控制柜中其他组件之间的最小间距。功率模块的安装示意图2.PM240-2功率模块接线图端子分布图功率模块2.PM240-2功率模块接线图PM-IF接口，用于将功率模块连接至控制单元3、功率模块的外围配置接线FSA～FSC尺寸的功率模块PM240-2外围配置接线图任务2.1认识G120变频器

——任务2.1.3G120变频器控制的安装与接线一、任务导入二、任务实施1.安装控制单元步骤（1）将控制单元的背面凸起部分安装在功率模块对应的凹槽中。（2）将控制单元插入功率模块，直到听到控制单元在功率模块上卡紧的声音。（3）如果要拆下控制单元，只要按住功率单元顶部的释放按钮，取下控制单元即可。

2.控制单元接线2.控制单元接线2.控制单元接线2.控制单元接线2.控制单元接线端子9作为数字量输入公共端的电源，端子28、69、34需要短接，此时电流从数字量输入端流入，此接线是漏型接线方式。2.控制单元接线端子28作为数字量输入公共端的电源，端子9、69、34需要短接，此时电流从数字量输入端流出，此接线是源型接线方式。2.控制单元接线使用外部24V电源时的漏型接线图，必须将外部电源的“GND”与变频器端子28、34、69相互连接。使用外部24V电源时的源型接线图，必须将外部电源的“24V”与变频器端子34、69相互连接。2.控制单元接线继电器输出晶体管输出任务2.2变频器的面板运行

——任务2.2.1认识G120变频器的快速调试及常用参数一、任务导入二、任务实施1.G120变频器的参数说明2.快速调试与常用参数功能解析2.快速调试与常用参数功能解析2.快速调试与常用参数功能解析2.快速调试与常用参数功能解析2.快速调试与常用参数功能解析2.快速调试与常用参数功能解析2.快速调试与常用参数功能解析任务2.2变频器的面板运行

——任务2.2.2认识BOP-2操作面板一、任务导入二、任务实施1.BOP-2操作面板的按键和图标1.BOP-2操作面板的按键和图标2.BOP-2操作面板的菜单结构2.BOP-2操作面板的菜单结构任务2.2变频器的面板运行——任务2.2.3用认识BOP-2操作面板控制变频器正反转运行一、任务导入二、任务实施1.接线图2.用BOP-2操作面板修改参数3.恢复出厂设置扫码（教材P44）看视频，此处不用讲解，建议让学生根据教材视频在设备上练习。4.BOP-2操作面板控制变频器运行扫码（教材P44）看视频，此处不用讲解，建议让学生根据教材视频在设备上练习。任务2.3变频器的外部运行

——任务2.3.1认识预定义接口宏一、任务导入二、任务实施1.G120变频器的预定义接口宏2.宏12———模拟量给定调速宏12：●启停控制：电机的启停通过数字量输入5（DI0）端子控制，数字量输入6（DI1）用于电机反向。●速度调节：转速通过模拟量输入AI0调节，AI0默认为-10V~+10V输入方式。2.宏12———模拟量给定调速2.宏12———模拟量给定调速任务2.3变频器的外部运行

——任务2.3.2使用Startdrive软件调试变频器一、任务导入二、任务实施1.变频器硬件电路和网络拓扑（1）创建一个名为“使用Startdrive快速调试变频器”的项目；（2）打开创建项目，完成系统配置，并进入在线模式；（3）调试内容：恢复出厂设置、快速调试、控制面板调试、参数修改、保存项目。2.项目配置及实操内容建议此部分内容教师在博途软件上边讲边演示。让学生在练习时观看教材所配视频。（1）在项目中添加变频器控制单元。（CU240E-2PN-F，版本号V4.7.6）（2）在硬件目录中添加变频器功率模块。（3）设置设备IP地址和名称。（4）设置PG/PC接口。（5）分配设备名称。（6）分配设备的IP地址。（7）快速调试选择应用等级

设定值指定设定值/指令源配置窗口

驱动设置窗口

驱动选件窗口

电机参数设置窗口电机抱闸选择窗口

重要参数设置窗口设置驱动功能窗口

总结窗口（8）控制面板调试参数修改模拟量输入端窗口数字量输入端窗口数字量输出窗口模拟量输出窗口保存/复位任务2.3变频器的外部运行

——任务2.3.3变频器I/O端子功能的预设置一、任务导入二、任务实施1.BICO功能BI：二进制互连输入,该参数用来选择数字量信号源,通常与“p参数”对应BO：二进制互连输出,该参数作为二进制输出信号,通常与“r参数”对应CI:模拟量互连输入,该参数作为某个功能的模拟量输入接口,通常与“p参数”对应CO:模拟量互连输出,即参数作为模拟量输出信号,通常与“r参数”对应。2.数字量输入端子功能的预设置2.数字量输入端子功能的预设置

必须将DI的状态参数与选中的二进制互联输入连接在一起，才可以修改DI的功能p0840=r722.0p1113=r722.43.模拟量输入端子功能的预设置3.模拟量输入端子功能的预设置p1070[0]=r755.0p1070[0]=r755.14.数字量输出端子功能的预设置4.数字量输出端子功能的预设置p0730=r52.1p0731=r52.35.模拟量输出端子功能的预设置P0771[0]=r0021P0771[1]=r0025任务2.3变频器的外部运行

——任务2.3.4变频器的电流给定运行一、任务导入二、任务实施1.变频器的接线图2.设置变频器的参数2.设置变频器的参数3.操作运行（1）起动。（2）调速。调节端子10、11上的电流给定在9~12mA之间,变频器在0~1500r/min之间运行;在6~9mA之间,变频器将在-1500~0r/min之间运行。（3）断线监控。如果调节端子10、11上的电流源使其小于6mA,变频器在BOP-2操作面板上显示F3505的断线故障代码。（4）停止。任务2.3变频器的外部运行

——任务2.3.5设置变频器的指令源和设定值源一、任务导入二、任务实施2.设定值源2.设定值源2023/11/273、设定值处理设定值处理通过以下功能影响设定值：●“取反设定值”，以切换电机旋转方向（反转）。●“禁止正/负旋转方向”，能防止电机在错误的方向上旋转，这在传送带、挤出机、泵或风扇应用中很有意义。●“抑制带”能防止电机在抑制带内持续运行。该功能能避免机械共振，因为它只能暂时允许特定的转速。●“转速限制”能避免电机及其驱动的负载出现过高转速。●“斜坡函数发生器”，能防止突然的设定值变化，以控制电机的加速和减速过程。这样电机就可以以降低的转矩加速和制动。2023/11/27

（1）取反设定值该功能通过二进制信号取反设定值符号。将参数p1113和一个二进制信号互联，例如：p1113=r0722.1。2023/11/27

（2）禁止旋转方向在变频器出厂设置中，电机的正负旋转方向都已使能。如果需要长期禁止其中一个旋转方向，必须将对应的参数设定为1。将参数设为0，变频器使能对应的旋转方向。如果p1110=r722.3，则DI3=0时，表示反旋转方向已使能;当DI3=1时,表示反旋转方向已禁止。2023/11/27（3）抑制带

如果生产机械运行在某一转速时，所引起的频率和机械的固有震荡频率一致时，会发生系统共振，共振状态的出现将破坏传动系统的正常运转，甚至将造成破坏性系统损坏。解决办法:设置抑制带，回避掉这一频率；G120变频器有四个抑制带，防止电机长期在某个转速范围内运行。西门子变频器最多可设置4个跳跃区间，分别由p1091、p1092、p1093、p1094设置跳转区间的中心转速，由p1101设置跳跃点的宽度，如图2-54所示。

p1091=1220r/min,p1101=20r/min,则跳跃的范围是1200~1240r/min2023/11/27（4）转速限制能避免电机及其驱动的负载出现过高或过低转速。需要设置最大转速p1082和最小速度p1080。

a）搅拌机实例b）最小转速和最大转速2023/11/27

（5）斜坡函数发生器设定值通道中的斜坡功能发生器用于限制转速设定值的变化速率（加速度）。它的作用有：●电机平滑地加速、减速，保护生产设备；●生产设备（如输送带）的加速距离和减速距离不受电机负载的影响。有两种斜坡功能发生器可供选择：●简单斜坡功能发生器：简单斜坡功能发生器限制加速度，但不限制急动度。●扩展斜坡功能发生器：扩展斜坡功能发生器不仅限制加速度，而且还通过设定值圆整对加速度的变化（急动度）进行限制。如此一来便不会突然形成电机转矩。2023/11/27

（5）斜坡函数发生器斜坡函数发生器的加速时间和减速时间是可以单独设置，这两个时间和实际应用紧密相关，可以是几百毫秒（如输送带传动），也可以是几分钟（如离心机）。在电机通过ON/OFF1启停时，电机同样按照斜坡函数发生器的时间加速或减速。简单斜坡函数发生器简单斜坡函数发生器（电动机从静止状态加速到最大转速（P1082）所用的时间称为斜坡上升时间，又叫加速时间；斜坡下降时间是指电机从大转速下降到零的时间，又叫减速时间。如图所示。任务2.3变频器的外部运行

——任务2.3.6变频器的2/3线控制一、任务导入二、任务实施2023/11/27

如果选择通过数字量输入端子控制变频器启停，需要通过参数p0015定义数字量输入端子如何控制电机启停、如何在正转和反转之间进行切换。

有5种方法可用于控制电机。其中3种方法通过两个控制指令进行控制，称为2线制控制。其他2种方法需要三个控制指令进行控制，称为3线制控制。1.什么是2/3线制控制2.2线制控制方式3.3线制控制方式表2-342线制和3线制控制表2-342线制和3线制控制任务2.4变频器的电动电位器给定运行一、任务导入二、相关知识2.宏9-电动电位器三、任务实施1.接线接线图2.参数设置任务2.5变频器的多段速运行

——任务2.5.1多段速功能预置一、任务导入二、任务实施

什么是多段速功能？多段速功能，也称作固定转速，就是设置参数p1000=3的条件下，用开关量端子选择固定设定值的组合，实现电动机多段速度运行。与固定转速相关的宏有：宏1、宏2和宏3。1.固定转速给定G120变频器提供了两种选择固定设定值的方法:一种是直接选择，另一种是二进制选择。2.直接选择【例2-2】两个转速固定值的直接选择电机应以如下方式采用两种不同的转速运行：

通过DI0接通电机，选择DI1将电机加速到300r/min，选择DI2将电机加速到2000r/min，选择DI3使电机反转。3.二进制选择3.二进制选择任务2.5变频器的多段速运行

——任务2.5.2变频器的7段速运行一、任务导入二、任务实施1.变频器接线图2.参数设置2.参数设置20050060080090012001500任务2.6变频器的PID功能运行

——任务2.6.1认识变频器的工艺控制器一、任务导入二、任务实施1.PID控制原理给定目标与反馈之间总会一个差值，称为静差比例增益KP静差εKP越大，则静差越小，反馈值越接近于给定目标。

积分时间常数TI系统稳定性增加调节速度变慢积分时间常数TI系统稳定性降低出现震荡发散微分时间常数TD微分作用越强响应速度越快，系统越稳定微分作用不能单独使用，

需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。2.G120变频器的PID工艺控制器设置p2200=1时,激活PID工艺控制器p2253为设定值通道p2264为实际反馈值通道设定值和实际值主要通过以下4种方式提供：①模拟量输入端r755.0和r755.1。②电动电位器r2250。③自有的固定值r2224。④现场总线r2250和r2251。任务2.6变频器的PID功能运行

——任务2.6.2变频器的单泵恒压供水控制一、任务导入二、任务实施1.硬件电路2.参数设置（1）参数复位。恢复变频器工厂默认值。设定p0010=30和p0970=1，保证变频器的参数恢复到工厂设置。（2）设置电动机参数。根据实际电机的铭牌，参考表2-14设置电动机参数。（3）设置PID工艺控制器参数，如表2-44所示。通过Ssartdrive软件进行PID工艺控制器参数设置并监控PID运行时的状态，如图2-70所示。3.运行操作

(1)闭合开关SA时,端子5为ON,变频器起动电动机,当反馈的电流信号发生改变时,将会引起电动机转速的变化。2)在变频器运行操作中,分别按以下两组参数值修改变频器的参数。①目标值p2253=50%(5V),比例增益p2280=10,积分时间p2285=30。②目标值p2253=50%(5V),比例增益p2280=30,积分时间p2285=10。重新运行变频器,观察变频器调节过程的变化。总之,在系统反应太慢时,应调大比例增益p2280,或减小积分时间p2285;在发生振荡时,应调小比例增益p2280,或加大积分时间p2285。

3)断开开关SA,端子5为OFF,电动机停止运行。2023/11/27内容Contents

任务3.1离心机的多段速变频控制一

任务3.2风机的变频/工频自动切换控制二

任务3.3验布机本地远程无级调速切换控制三2023/11/27内容Contents

任务3.4G120变频器的通信四任务3.4.1S7-1200PLC与G120变频器的PROFIBUS通信1任务3.4.2S7-1200PLC与G120变频器的PROFINET通信2任务3.4.3货物升降机的PFOFINET通信3任务3.1离心机的多段速变频控制一、任务导入二、相关知识

一个PLC变频控制系统通常由3部分组成，即变频器本体、PLC、变频器与PLC的接口电路。根据不同的信号连接,接口分为①数字量连接；②模拟量连接；③通信连接。1.S7-1200PLC与G120变频器的数字量连接方式(1)S7-1200继电器输出型PLC与变频器的连接方式1.S7-1200PLC与G120变频器的数字量连接方式(2)S7-1200晶体管输出型PLC与变频器的连接方式注意：PLC为晶体管输出时，其4M（0V）必须与西门子变频器的28（0V）、34、69端子短接，否则，PLC的输出不能形成回路。2.S7-1200PLC与变频器的模拟量连接方式二、任务实施1.硬件电路1.硬件电路2.参数设置3.程序设计具体程序请参考教材P104或机械工业出版社教材配套资源下载源程序任务3.2风机的变频/工频自动切换控制一、任务导入二、任务实施1.硬件电路1.硬件电路5、6端子用变频器内部24V电源，HL1和HL2用外部24V电源KM1、KM3控制变频运行KM2控制工频运行2.参数设置2.参数设置3.程序设计具体程序请参考教材P109或机械工业出版社教材配套资源下载源程序任务3.3验布机本地/远程无级调速切换控制一、任务导入二、相关知识1.S7-1200PLC模拟量I/O模块的类型（1）模拟量I/O模块的功能1.S7-1200PLC模拟量I/O模块的类型（2）模拟量I/O模块的类型2.模拟量I/O模块SM1234（1）SM1234模块的接线图SM1234的外形工作电源DC24V4路模拟量输入端可以接受电压信号或电流信号。电压包括：+/-10V、+/-5V、+/-2.5V三种信号；电流包括：0-20mA、4-20mA两种信号；满量程数据范围：-27648～27648或0～27648。2路模拟量输出可以输出电压或电流信号；电压信号范围：±10V；电流信号范围：0～20mA或4～20mA。满量程数据范围：-27648～27648或0～27648。2.模拟量I/O模块SM1234（1）SM1234模块的接线图（2）SM1234模块的组态2.模拟量I/O模块SM1234图3-12添加SM1234模拟量模块2.模拟量I/O模块SM1234图3-13定义SM1234模拟量模块的I/O地址（a）模拟量输入组态

（a）模拟量输出组态图3-14SM1234模拟量模块的组态2.模拟量I/O模块SM1234三、任务实施1.硬件电路1.硬件电路变频器的起停通过Q0.0控制端子5实现通过Q0.1控制端子8切换控制方式,Q0.1=0为远程控制,Q0.1=1为本地控制。Q0.2(端子16)=1控制变频器升速,Q0.3(端子17)=1控制变频器减速。无论是远程控制还是本地控制,变频器端子6接的KA断开时都会触发变频器外部故障F7860,让变频器停止运行。把按钮SB5接到变频器的端子7上,用来给变频器复位。将SM1234的输出端子0、0M分别接到变频器的端子3、4上,从而调节验布机的速度。2.参数设置2.参数设置2.参数设置3.程序设计程序包括主程序、本地控制程序FC1块、远程控制程序FB1块。3.程序设计3.程序设计具体程序参考教材P119～P120，也可以在机械工业出版社教材配套资源下载源程序。任务3.4G120变频器的通信

——任务3.4.1S7-1200PLC与G120变频器的PROFIBUS通信

一、任务导入二、相关知识1.现场总线设为设定值源2.G120变频器的通信接口3.PROFIdrive通信PROFIdrive主要由如下3个部分组成:3.PROFIdrive通信3.PROFIdrive通信3.PROFIdrive通信(3)控制字和状态字（3）控制字和状态字0000010004011171111F正转的控制字16#047F（3）控制字和状态字常用的控制字如下:（3）控制字和状态字（3）控制字和状态字三、任务实施1.将变频器与PLC进行PROFIBUS连接1.将变频器与PLC进行PROFIBUS连接2.安装GSD文件以便通过TIAPortal软件配置通信3.设置变频器(1)设置变频器的PROFIBUS地址有如下两种方式设置变频器的PROFIBUS地址:通过控制单元上的DIP开关设置PROFIBUS地址。2)当所有DIP开关都被设置为On或Off状态时,通过p0918或在Startdrive或Starter中设置PROFIBUS地址。4.硬件组态图3-27添加PROFIBUS主站模块CM1243-54.硬件组态图3-28设置PROFIBUS地址4.硬件组态图3-29添加CU240E-2DP-F从站4.硬件组态图3-30分配CU240E-2DPF从站地址4.硬件组态图3-31组态CU240E-2DP-F通信报文5.程序设计具体程序参考教材P133～P134，也可以在机械工业出版社教材配套资源下载源程序。任务3.4G120变频器的通信

——任务3.4.2S7-1200PLC与G120变频器的PROFINET通信

一、任务导入二、任务实施1.将变频器与PLC进行PROFINET连接1.将变频器与PLC进行PROFINET连接2.硬件组态3-34组态S7-1200的设备名称和分配IP地址2.硬件组态（a）方法一2.硬件组态（b）方法二图3-35组态G120变频器的设备名称和分配IP地址2.硬件组态图3-37S7-1200PLC与G120变频器的PROFINET网络连接2.硬件组态（a）发送2.硬件组态（b）接收图3-37G120变频器的报文配置3、给实物G120变频器分配设备名称及IP地址4、设置变频器通信参数

图3-38G120变频器PROFINET通信参数5、程序设计PROFINET的通信控制程序和PROFIBUS通信控制程序相同任务3.4G120变频器的通信

——任务3.4.3货物升降机的PROFINET通信

一、任务导入二、任务实施1.硬件电路1.硬件组态2.硬件组态参考任务3.4.23.设置变频器的通信参数4.程序设计程序由初始化程序OB100、变频器上电、失电程序块FC1、速度给定和实际规格化程序块FC2、手动程序块FC3、自动程序块FC4、报警程序块FC5和主程序OB1组成。具体程序参考教材P142～P146，也可以在机械工业出版社教材配套资源下载源程序。2023/11/27内容Contents

任务4.1单轴机械手的控制一

任务4.1.2认识步进驱动器

2

任务4.1.1认识步进电动机1

任务4.1.3S7-1200PLC的运动轴配置32023/11/27内容Contents

任务4.2双轴行走机械手的控制二

任务4.1.4使用轴控制面板调试运动轴4

任务4.1.5S7-1200PLC运动控制指令的应用5

任务4.1.6步进电动机正反转定角循环控制6任务4.1单轴步进电动机的控制——任务4.1.1认识步进电动机一、任务导入

步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。步进电机每输入一个脉冲信号，电机就前进一步，所以叫做步进电机。

脉冲数越多，步进电机转动的角度越大。

脉冲的频率越高步进电机的转速越快。

步进电机二、任务实施1.步进电动机的工作原理

三相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。（1）三相单三拍：“三相”指定子绕组有3组；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。●三相绕组中的通电顺序为：1.步进电动机的工作原理2.步进电动机的结构图4-2步进电机的结构示意图通常按励磁方式分为三大类：1）反应式（VR）

转子为软磁材料，无绕组，定、转子开小齿、步距角小。2）永磁式（PM）

转子为永磁材料，转子的极数=每相定子极数，不开小齿，步距角较大，力矩较大3）混合式（HB）

转子为永磁式、两段，开小齿，转矩大、动态性能好、步距角小，但结构复杂，成本较高。3．步进电机的分类

步进电机每接收一个步进脉冲信号，电机就旋转一定的角度，该角度称为步距角。Z：转子齿数；K：为通电系数，当前后通电相数一致时，K=1，否则，K=2；m：为相数。（1）

步距角4．步进电机的重要参数4.步进电机的重要参数步进电机的转速取决于各相定子绕组通入电脉冲的频率，其速度为式中，f——电脉冲的频率，即每秒脉冲数（简称PPS）；

Z——转子齿数；

K——通电系数。

（2）

步进电机的速度

（3）

相数

步进电动机的相数是指电机内部的线圈组数，常用m表示。目前常用的有二相、三相、四相、五相、六相、八相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同。

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。4.步进电机的重要参数

（4）

拍数

完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。θ

=

360°/（转子齿数×运行拍数），以常规二、四相为例，转子齿数为50齿电动机为例。四拍运行时步距角为θ

=

360°/（50×4）=1.8°（俗称整步），八拍运行时步距角为θ

=

360°/（50×8）=0.9°（俗称半步）。以四相电机为例，有四相双四拍运行方式即AB→BC→CD→DA→AB，四相单双八拍运行方式即A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。步距角对应一个脉冲信号，电动机转子转过的角位移用θ表示。4.步进电机的重要参数

（5）

保持转矩

保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，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.步进电机的重要参数任务4.1单轴步进电动机的控制——任务4.1.2认识步进驱动器一、任务导入二、任务实施1.步进驱动器的外部端子1.步进驱动器的外部端子2.步进驱动器的外部典型接线●光电耦合隔离元件作用：电气隔离、抗干扰●共阳极接法、共阴极接法和差分方式接法●根据所选PLC来选择驱动器●西门子S7-1200PLC本体晶体管输出信号为PNP输出（高电平信号），应采用共阴接法●三菱FX2NPLC晶体管输出信号为NPN输出（低电平信号），应采用共阳接法。2.步进驱动器的外部典型接线2.步进驱动器的外部典型接线2.步进驱动器的外部典型接线3.步进驱动器的细分设置3.步进驱动器的细分设置3.步进驱动器的细分设置任务4.1单轴步进电动机的控制——任务4.1.3S7-1200PLC的运动轴配置一、任务导入二、相关知识1.S7-1200PLC的运动控制方式图4-8S7-1200PLC运动控制方式S7-1200PLC的运动控制方式有3种：①分PTO(PulseTrainOutput,脉冲串输出)控制方式②模拟量控制方式③通信(PROFIdrive)控制方式1.S7-1200PLC的运动控制方式1.S7-1200PLC的运动控制方式2.S7-1200PLC的高速脉冲输出PTOS7-1200PLC的高速脉冲输出包括PTO和脉宽调制(PWM)输出。2.S7-1200PLC的高速脉冲输出PTO三、任务实施1.硬件组态（a）启用脉冲发生器1.硬件组态（b）参数分配图4-11设置脉冲发生器2.组态“轴”工艺对象图4-12添加工艺对象2.组态“轴”工艺对象图4-13组态轴工艺对象基本参数-常规2.组态“轴”工艺对象图4-15组态轴工艺对象基本参数-驱动器2.组态“轴”工艺对象图4-16组态轴工艺对象扩展参数-机械2.组态“轴”工艺对象2.组态“轴”工艺对象图4-18组态轴工艺对象扩展参数-位置限制2.组态“轴”工艺对象图4-19组态轴工艺对象扩展参数-动态-常规2.组态“轴”工艺对象图4-20组态轴工艺对象扩展参数-动态-急停2.组态“轴”工艺对象图4-21组态轴工艺对象扩展参数-回原点-主动2.组态“轴”工艺对象2.组态“轴”工艺对象2.组态“轴”工艺对象图4-24组态轴工艺对象扩展参数-回原点-被动任务4.1单轴步进电动机的控制——任务4.1.4使用轴控制面板调试运动轴一、任务导入二、任务实施1.硬件电路接线图2.调试工艺“轴”图4-25选择调试功能后控制面板的初始组态2.调试工艺“轴”图4-26点动控制2.调试工艺“轴”图4-27绝对定位2.调试工艺“轴”图4-28相对定位2.调试工艺“轴”图4-28回原点3.诊断工艺“轴”图4-29轴状态和错误位3.诊断工艺“轴”图4-30运动状态图4-31动态设置任务4.1单轴步进电动机的控制

——任务4.1.5S7-1200运动控制指令的应用一、任务导入一、任务导入图4-33触摸屏画面二、相关知识1.运动控制指令简介图4-34插入运动控制指令图4-35添加运动控制指令背景数据块及指令1.运动控制指令简介1.运动控制指令简介图4-36运动控制指令背景数据块图4-37轴背景数据块1.运动控制指令简介图4-38运动控制指令说明1.运动控制指令简介1.运动控制指令简介1.运动控制指令简介2.运动控制指令（1）启动/禁用轴指令MC_Power

EN：使能，该端子必须一直为1，保证MC_Power指令在程序中一直被调用Axis：已组态好的工艺对象名称Enable：轴使能端，1：轴已启用StartMode：控制模式选择，0：启用位置不受控的定位轴即速度控制模式；1：启用位置受控的定位轴即位置控制StopMode：停止模式选择，0：按照工艺对象组态好的“急停”速度或时间紧急停止轴；1：立即停止，PLC立即停止发脉冲ENO：使能输出Status：轴的使能状态。FALSE：禁用轴；TRUE：轴已启用Busy：标记MC_Power指令是否处于活动状态Error：0：无错误；1：产生错误标记ErrorID：错误ID码ErrorInfo：错误信息2.运动控制指令（2）确认故障指令MC_ResetExecute：指令的启动位，用上升沿触发Restart：0：表示用来确认错误。1：将轴组态从装载存储器下载到工作存储器。仅可在禁用轴后，才能执行该命令Done：1：错误已确认2.运动控制指令（3）回原点指令MC_HomeExecute：指令的启动位，用上升沿触发Position：位置●Mode

=

0、2和3时，完成回原点操作之后，轴的绝对位置●Mode

=

1时，对当前轴位置的修正值Mode：回原点模式Mode=1：相对式直接回原点。Mode=2：被动回原点。Mode=3：主动回原点。Done：1：命令已完成CommandAborted：1：1：命令在执行过程中被另一命令中止ReferenceMarkPosition：显示工艺对象归位位置（“Done”=TRUE时有效）2.运动控制指令（4）暂停轴指令MC_HaltExecute：指令的启动位，用上升沿触发Done：1：速度达到零CommandAborted：1：1：命令在执行过程中被另一命令中止2.运动控制指令（5）绝对定位指令MC_MoveAbsoluteExecute：指令的启动位，用上升沿触发Position：绝对目标位置，即相对于原点的位置Velocity：轴的运动速度Direction：轴的运动方向，仅在“模数”已启用的情况下才生效Done：1：达到绝对目标位置CommandAborted：1：1：命令在执行过程中被另一命令中止2.运动控制指令（6）相对定位指令MC_MoveRelativeExecute：指令的启动位，用上升沿触发Distance：相对移动距离Velocity：轴的运动速度Done：1：目标位置已到达CommandAborted：1：1：命令在执行过程中被另一命令中止2.运动控制指令（7）点动指令MC_MoveJogJogForward：1：正向点动0：轴停止JogBackward：1：反向点动0：轴停止Velocity：点动速度InVelocity：1：达到参数“Velocity”中指定的速度三、任务实施1.硬件电路接线图1.硬件电路2.程序设计

(1)按照任务4.1.3的方法对工艺“轴”进行组态；

(2)建立PLC变量表(图4-43)。2.程序设计

(3)编写程序如图4-44所示。具体程序请参考教材P184或机械工业出版社教材配套资源下载源程序任务4.1单轴步进电动机的控制

——任务4.1.6步进电动机正反向定角循环控制一、任务导入二、任务实施1.硬件电路2.程序设计具体程序请参考教材P186或机械工业出版社教材配套资源下载源程序任务4.2双轴行走机械手的控制

一、任务导入

某行走机械手可以沿x轴和y轴方向行走，分别由2台步进电机拖动，步进电机的额定电流均为2.1A，每旋转1周均需要1000个脉冲，机械手行走5mm。行走机械手运动曲线如图4-44所示。二、任务实施1.硬件电路1.硬件电路2.程序设计具体程序请参考教材P186或机械工业出版社教材配套资源下载源程序2023/11/27内容Contents

任务5.1认识伺服控制系统一

任务5.1.2认识V90伺服驱动器2

任务5.1.1认识伺服电动机12023/11/27内容Contents

任务5.2.1V90PTI伺服驱动器的位置控制1

任务5.2.2V90PTI伺服驱动器的速度控制2

任务5.2V90PTI伺服驱动器的应用二2023/11/27内容Contents

任务5.3V90PN伺服驱动器的应用三

任务5.3.2使用FB284实现V90PN

伺服驱动器的EPOS控制2

任务5.3.1使用工艺对象TO实现V90PN伺服驱动器的位置控制1

任务5.3.3使用FB285实现V90PN伺服驱动器的位置控制3任务5.1认识伺服控制系统——任务5.1.1认识伺服电动机一、任务导入二、任务实施伺服电动机直流伺服电动机交流伺服电动机有刷直流伺服电动机无刷直流伺服电动机永磁同步伺服电动机交流感应异步伺服电动机1.伺服电动机的铭牌和外部结构1.伺服电动机的铭牌和外部结构（b）伺服电动机的外形图5-2伺服电动机定子转子2.伺服电机的内部结构及工作原理编码器前端盖后端盖后轴承前轴承电机动力电缆编码器电缆2.伺服电动机的内部结构及工作原理交流永磁同步电动机的转速为由上可知,通过控制定子绕组三相输入电压的幅值和频率同时变化,即V

/f=常数来调节永磁同步电动机的转速。任务5.1认识伺服控制系统——任务5.1.2认识V90伺服驱动器一、任务导入二、相关知识1.伺服驱动器的内部结构伺服驱动器主要由主电路和控制电路组成。主电路：整流电路、开机浪涌保护电路、滤波电路、再生制动电路、逆变电路和动态制动电路。伺服驱动器的主电路和变频器的主电路基本相同，唯一的区别是伺服驱动器的主电路配有动态制动电路，它具有在基极断路时，在伺服电机和端子间加上适当的电阻器进行短路消耗旋转能，使之迅速停转的功能2.伺服驱动器的控制方式三、任务实施图5-71/3AC200V低惯量伺服驱动器的外形示意图SINAMICSV90PTI和PN版本伺服驱动器有4种外形尺寸共八种驱动类型，如图5-7所示，七种不同的电机轴高规格，支持单相/三相200V和三相400V两种供电方式，具有STO安全功能。RS485接口：ModbusRTU/USS通信PTI版Rj45接口：PROFINET通信PROFINET版控制接口：

脉冲输入（PTI）

模拟量输入/输出

编码器脉冲输出（PTO）

10个数字量输入/6个数字量输出

电机抱闸信号输出（仅限200V）I/O接口：

--

--

--

4个数字量输入/2个数字量输出

电机抱闸信号输出（仅限200V）1.SINAMICSV90伺服驱动系统连接图5-9V90PTI版本200V伺服驱动器的系统配置示意图①SINAMICSV90伺服驱动器

②熔断器/E型组合电机控制器（选件）③

滤波器（选件）④24V直流电源（选件）⑤外部制动电阻⑥外部抱闸继电器（第三方设备）⑦SIMOTICSS-1FL6伺服电机⑧串行电缆（RS485）⑨迷你USB电缆⑩微型SD卡

⑪上位机

⑫I/O电缆（50针，1m）⑬带终端适配器的I/O电缆（50针，0.5m）⑭编码器电缆⑮屏蔽板（在V90包装中）⑯卡箍（带在电机动力电缆上）⑰电机动力电缆

⑱

抱闸电缆脉冲序列版本（PTI）•RS485接口，用于通过MODBUSRTU/USS与PLC通信PROFINET版本（PN）•2个RJ45连接器，用于与PLC进行PROFINET通信状态指示灯•RDY指示驱动就绪/报警

•COM指示通信状态操作面板

•6位7段显示屏

•5个操作按钮电源和电机连接器

•L1、L2、L3接电源•U、V、W接电机制动电阻连接器

•在DCP和R1之间连接一个外部的制动电阻屏蔽板

•更好的EMC防护，更好的电缆固定X4：迷你USB接口•用于连接安装了配置工具的计算机SD卡插槽•复制参数X6：24V电源/STO连接器X7：电机抱闸

连接器（仅用于V90

400V驱动）X8：控制/状态接口脉冲序列版本•50芯•脉冲输入•编码器仿真脉冲输出•DI/DO，AI/AO•电机抱闸

(仅用于V90200V驱动)PROFINET版本•20芯•DI/DO•电机抱闸

(仅用于V90

200V驱动）X9：编码器接口2.V90伺服驱动器的前面板3.SINAMICSV90伺服驱动器的引脚3.SINAMICSV90伺服驱动器的引脚3.SINAMICSV90伺服驱动器的引脚3.SINAMICSV90伺服驱动器的引脚3.SINAMICSV90伺服驱动器的引脚3.SINAMICSV90伺服驱动器的引脚4.V90伺服驱动器数字量I/O接线4.V90伺服驱动器数字量I/O接线V90PTI版伺服驱动器的数字量输出DO1至DO3仅支持NPN接线，如图5-14（a）所示，数字量输出DO至DO6可支持NPN和PNP接线，如图5-14（b）所示。V90PN版伺服驱动数字量输出DO1至DO2可支持PNP和NPN两种接线，如图5-14（b）所示。5.V90PTI伺服驱动器数字量I/O引脚的功能(1)数字量输入(DI)引脚功能5.V90PTI伺服驱动器数字量I/O引脚的功能(1)数字量输入(DI)引脚功能注意：PPT只显示常用的功能5.V90PTI伺服驱动器数字量I/O引脚的功能(1)数字量输入(DI)引脚功能5.V90PTI伺服驱动器数字量I/O引脚的功能(1)数字量输入(DI)引脚功能5.V90PTI伺服驱动器数字量I/O引脚的功能(1)数字量输入(DI)引脚功能5.V90PTI伺服驱动器数字量I/O引脚的功能(1)数字量输入(DI)引脚功能5.V90PTI伺服驱动器数字量I/O引脚的功能(2)数字量输出(DO)引脚功能5.V90PTI伺服驱动器数字量I/O引脚的功能(2)数字量输出(DO)引脚功能注意：PPT只显示常用的功能任务5.2V90PTI伺服驱动器的应用

——任务5.2.1V90PTI伺服驱动器的位置控制一、任务导入

如图5-15所示为一机械手X轴移动示意图，伺服电机通过与电机同轴的丝杠带动工作台移动。具有手动和自动控制两种工作方式。二、相关知识1.V90PTI伺服驱动器的控制模式1.V90PTI伺服驱动器的控制模式复合控制模式包含两种基本控制功能，可以通过DI10（C-MODE）信号在两种基本控制功能间切换。2.调试工具

可以通过BOP操作面板和V-ASSISTANT软件两种方式调试V90伺服驱动器，但软件与驱动器连接后BOP操作面板则无法使用。（1）BOP操作面板图5-16BOP操作面板2.调试工具（1）BOP操作面板2.调试工具（2）SINAMICSV-ASSISTANT调试软件图5-17SINAMICSV-ASSISTANT调试软件与V90的连接方式3.JOG模式下的初始调试3.JOG模式下的初始调试三、任务实施1.硬件电路1.硬件电路2.伺服驱动器的参数设置图5-19选择V-ASSISTANT调试软件的工作模式2.伺服驱动器的参数设置图5-20控制模式设置2.伺服驱动器的参数设置图5-21设置电子齿轮比2.伺服驱动器的参数设置图5-22设置参数设定值2.伺服驱动器的参数设置（a）扭矩限制设置窗口2.伺服驱动器的参数设置

（b）速度限制设置窗口图5-23设置极限值2.伺服驱动器的参数设置（a）配置数字量输入信号2.伺服驱动器的参数设置（b）配置数字量输出信号2.伺服驱动器的参数设置（c）配置模拟量输出信号图5-24配置输入输出信号2.伺服驱动器的参数设置图5-25设置编码器脉冲输出图5-26查看所有参数2.伺服驱动器的参数设置2.伺服驱动器的参数设置图5-27调试界面2.伺服驱动器的参数设置图5-28诊断界面3.组态运动轴工艺对象TO4.编写程序具体程序请参考教材P224～P226或机械工业出版社教材配套资源下载源程序任务5.2V90PTI伺服驱动器的应用

——任务5.2.2V90PTI伺服驱动器的速度控制一、任务导入二、相关知识1.V90PTI速度控制接线图速度的控制方式有两种:一种是通过AI1通道(19和20引脚)实现的带外部模拟量速度设定值的速度控制；另一种是通过速度选择端SPD1~SPD3(默认接线方式没有此引脚)实现的带内部速度设定值的速度控制。2.V90PTI速度控制方式(1)外部模拟速度设定值控制方式通过电位器调节速度通过CWE\CCWE控制正反转CWL、CCWL、EMGS必须接常闭触点闭合SON，启动伺服电动机2.V90PTI速度控制方式(1)外部模拟速度设定值控制方式2.V90PTI速度控制方式(1)外部模拟速度设定值控制方式2.V90PTI速度控制方式(2)内部速度设定值的控制方式将输入引脚10、11和12设置为SPD1、SPD2及的功能。p29306[2]=15、

p29307[2]=16p29308[2]的=17

CWE\CCWE控制正反转CWL、CCWL、EMGS必须为高电平2.V90PTI速度控制方式(2)内部速度设定值的控制方式将参数p1001~p1007的速度值设置为正值或负值，可以控制电机旋转方向三、任务实施1.硬件电路2.参数设置2.参数设置3.程序编写具体程序请参考教材P233或机械工业出版社教材配套资源下载源程序任务5.3V90PN伺服驱动器的应用——任务5.3.1使用工艺对象TO实现V90PN的位置控制一、任务导入

如图5-36所示的剪切机，可以对某种成卷的板材按固定长度裁开。切刀初始位置在气缸上限位，伺服电机拖动放卷辊放出一定长度的板料，切刀向下运动，完成切割并延时5s后回到初始位置，完成一个工作循环。剪切的长度和速度可以通过上位机设置，伺服电机滚轴的周长是5mm。二、相关知识1.V90PN伺服驱动器的控制模式图5-37V90PN伺服驱动器的控制方式示意图V90PN伺服驱动器具有速度控制（S）和基本定位器控制EPOS两种控制模式。V90PN连接PLC运动控制有两种不同的形式，分别是中央控制和分布控制，如图5-37所示2.V90PN伺服驱动器的常用报文图5-38PLC与驱动器的通信示意图PROFINET提供：PROFINETIORT（实时）和PROFINETIOIRT（等时实时）两种实时通信方式。S7-1200PLC只支持RT通信，主要用于通用运动控制；S7-1500PLC支持IRT通信，主要用