变频及伺服应用技术（第2版）（微课版）课件 项目4 步进电机的应用

项目4步进电机的应用变频及伺服应用技术项目4.1步进电机的定角控制01项目4.2步进电机的定长控制02学习目标学习目标学习目标知识目标项目4.1步进电机的定角控制项目4.1步进电机的定角控制任务导入项目4.1步进电机的定角控制相关知识口罩机中的应用高倍显微镜中的应用雕刻机中的应用机器人中的应用视觉检测中的应用1.课堂导入

步进电机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机，它与配套驱动器共同组成低成本的开环控制系统，从而实现精确的位置和速度控制。每输入一个电脉冲，电机就会旋转一定的角度，常作为数字控制系统中的执行元件。最早的步进电机是1920年代由英国人研发。步进电机步进驱动器德国百格拉公司于1973年发明了五相混合式步进电机及其驱动器；1993年又推出了性能更加优越的三相混合式步进电机。我国在80年代以前，一直是反应式步进电机占统治地位，混合式步进电机是80年代后期才开始发展。1.课堂导入项目4.1步进电机的定角控制

步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机就前进一步，所以叫做步进电机。2.步进电机的工作原理步进电机

步进电机的旋转角度和速度取决于脉冲的数量和脉冲频率。

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，但不能超过最高频率，否则电机的力矩会迅速减小，电机不转。项目4.1步进电机的定角控制

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。“三相”指步进电机的定子绕组有3组；“单”指每次只能有一相绕组通电；“双”指每次有两个绕组同时通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环；“六拍”指通电六次完成一个通电循环。BBCC步进电机结构示意图2.步进电机的工作原理项目4.1步进电机的定角控制2.步进电机的工作原理

定子铁心上分布有A、B、C三相控制绕组。转子用软磁性材料制成，只有4个齿。项目4.1步进电机的定角控制2024/7/22步进电机单拍工作原理示意图●三相绕组中的通电顺序为：A相

B相

C相步进电机旋转方向为顺时针。（1）三相单三拍2.步进电机的工作原理项目4.1步进电机的定角控制

这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相绕组通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍，其特点：●每来一个电脉冲，转子转过30

。此角称为步距角，用

表示。●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电机转向。

A相

C相

B相

A相

B相

C相正转：（1）三相单三拍2.步进电机的工作原理反转：项目4.1步进电机的定角控制

这种工作方式，因三相绕组中每次有两相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相双三拍，其特点：●每来一个电脉冲，转子转过30

。●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电机转向。

AC相

CB相

BA相

AB相

BC相

CA相正转：（2）三相双三拍2.步进电机的工作原理反转：项目4.1步进电机的定角控制

这种工作方式，按照一相绕组通电接着二相绕组间隔轮流通电，而且，完成一个循环需要经过6次改变通电状态，所以称三相单双六拍，其特点：●每来一个电脉冲，转子转过15

。●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电机转向。（3）三相单双六拍2.步进电机的工作原理正转：A→AB→B→BC→C→CA→A；反转：A→AC→C→CB→B→BA→A。项目4.1步进电机的定角控制

步进电机由定子（绕组、定子铁心）、转子（转子铁心、永磁体、转轴、滚珠轴承），前后端盖等组成。3.步进电机的结构（c）步进电机结构剖面图（b）步进电机结构

步进电机的结构示意图（a）步进电机项目4.1步进电机的定角控制定子铁心

定子铁心为凸极结构，由硅钢片迭压而成。在面向气隙的定子铁心表面有齿距相等的小齿。定子绕组

定子每极上套有一个集中绕组，相对两极的绕组串联构成一相。步进电动机可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。3.步进电机的结构为了减小步距角，实际的步进电机通常在定子凸极和转子上开很多小齿，这样就可以大大减小步距角，提高步进电机的控制精度。项目4.1步进电机的定角控制转子

转子上只有齿槽没有绕组，系统工作要求不同，转子齿数也不同。转子的外圈由50个小齿构成，转子1和转子2的小齿于构造上互相错开1/2螺距。由此转子形成了100个小齿。目前已经有转子单个加工至100齿的高分辨率型，那么高分辨率型的转子就有200个小齿。因此其机械上就可以实现普通步进电机半步(普通步进电机半步需要电气细分达到)的分辨率。3.步进电机的结构项目4.1步进电机的定角控制（1）按励磁方式分为三大类：反应式（VR）、永磁式（PM）、混合式（HS）。（2）按定子上绕组来分，步进电机分为两相、三相和五相等系列。（3）按机座号（电机外径）可分为：42BYG（BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。4.步进电机的分类项目4.1步进电机的定角控制2024/7/225.课堂小结

（1）通过控制脉冲个数来控制步进电机的角位移量；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度；（2）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。（3）步进电机由定子、转子和前后端盖等组成。（4）步进电机按励磁方式分为反应式（VR）、永磁式（PM）、混合式（HS）三种。项目4.1步进电机的定角控制步进驱动器的功能：在控制设备（例如PLC）的控制下，为步进电机提供工作所需要的幅度足够的脉冲信号；实现精确的位置和速度控制。步进电机控制系统框图1.课堂导入项目4.1步进电机的定角控制3ND583步进驱动器外形步进驱动器的外部接线2．步进驱动器的外部端子步进驱动器有3种输入信号，分别是脉冲信号（PUL）、方向信号（DIR）和使能信号（ENA）。项目4.1步进电机的定角控制3ND583步进驱动器外形步进驱动器的外部接线PUL+和PUL-是脉冲控制信号输入端：脉冲上升沿有效；当采用12V或24V电源时，需串联电阻；2．步进驱动器的外部端子项目4.1步进电机的定角控制3ND583步进驱动器外形步进驱动器的外部接线DIR+、DIR-是方向信号输入端：高/低电平有效；假设高电平电机是正转，则低电平电机就是反转。2．步进驱动器的外部端子项目4.1步进电机的定角控制3ND583步进驱动器外形步进驱动器的外部接线ENA+、ENA-是使能信号输入端：用于使能或禁止步进电机；步进电机在停止时，通常有一相得电，电机的转子被锁住；当需要转子松开时，可以使用使能信号，ENA+接+5V，ENA−接低电平即可。当不需用此功能时，使能信号端悬空即可。2．步进驱动器的外部端子项目4.1步进电机的定角控制3ND583步进驱动器外形步进驱动器的外部接线U、V、W是三相步进电机的接线端。2．步进驱动器的外部端子项目4.1步进电机的定角控制3ND583步进驱动器外形步进驱动器的外部接线步进驱动器工作电源：其接线端子是VDC和GND；DC18～54V之间任何值均可；通常使用DC24V。2．步进驱动器的外部端子项目4.1步进电机的定角控制步进驱动器的输入接口通常采用双光耦的电气隔离，从而提高它的抗干扰性能。步进驱动器的接线方式一共有三种：共阳极接法共阴极接法差分方式接法步进驱动器采用的接线方法，根据所选PLC来决定。3．步进驱动器的接口电路项目4.1步进电机的定角控制三菱漏型输出型PLC是NPN输出型，即低电平。此种接线方式是共阳极接线方式。共阳极接线方法3．步进驱动器的接口电路项目4.1步进电机的定角控制共阴极接线方法西门子PLC是PNP输出型，即高电平。此种解接线方式是共阴极接线方式。3．步进驱动器的接口电路项目4.1步进电机的定角控制（1）如果接线图中使用的电源VCC是5V，则不串电阻。VCC是12V时，串联电阻R的阻值为1kΩ，大于1/8W电阻；VCC是24V时，电阻R的阻值为2kΩ，大于1/8W电阻。电阻R必须接在控制器信号端。（2）步进驱动器的PUL端子需要接收脉冲信号，因此，必须采用晶体管输出型的PLC。3．步进驱动器的接口电路项目4.1步进控制系统的应用细分是步进驱动器的一个重要性能。步进驱动器都存在一定程度的低频振荡特点。1.细分能有效改善甚至消除低频振荡现象，使电机运行更加平稳均匀；2.细分能减小步进电机的步距角，提高电机的分辨率；注意：一般情况先细分数不能设置过大，因为在控制脉冲频率不变的情况下，细分越大，电机的转速越慢，而且电机的输出力矩减小。步进驱动器4．步进电机的细分设置项目4.1步进控制系统的应用拨码开关8个SW拨码开关，用来设置工作电流、静态电流和细分精度。SW1～SW4用于设置步进驱动器的输出电流；SW6～SW8用于设置细分精度；SW5用于选择半流/全流工作模式；OFF表示静态电流设为动态电流的一半；ON表示静态电流与动态电流相同。4．步进电机的细分设置项目4.1步进控制系统的应用拨码开关如果电机停止时不需要很大的保持力矩，建议把SW5设成OFF，以减少电机和驱动器的发热，提高其可靠性。4．步进电机的细分设置项目4.1步进控制系统的应用步/转SW6SW7SW82001114000115001011

0000012

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000000细分设置表“1”表示ON“0”表示OFF假设把SW6、SW7和SW8的拨码开关都置于1状态，其细分是200步/转，即步进电机每旋转一周，需要200个脉冲；4．步进电机的细分设置项目4.1步进控制系统的应用步/转SW6SW7SW82001114000115001011

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000000细分设置表“1”表示ON“0”表示OFF如果只将SW8置于1状态，则步进电机每旋转一周，需要1000个脉冲。4．步进电机的细分设置项目4.1步进控制系统的应用（1）步进驱动器需要3种输入信号，分别是脉冲信号（PUL）、方向信号（DIR）和使能信号（ENA）；（2）步进驱动器常用共阳极和共阴极两种接线方式，需要根据所使用的PLC进行选择。一般西门子的PLC采用共阴极接线方式，三菱的PLC采用共阳极的接线方式。（3）细分是步进驱动器的一个重要性能，可以通过拨码开关进行设置。细分数越大，每输入一个脉冲，步进电机旋转的角度越小。5．课堂小结项目4.1步进控制系统的应用项目4.1步进电机的定角控制FX3U系列PLC可以向步进驱动器或伺服驱动器等驱动装置输出脉冲信号和方向信号，再由驱动器控制步进电机或伺服电机进行定位，从而控制定位对象加速、减速和移动到指定位置。项目4.1步进电机的定角控制项目4.1步进电机的定角控制（1）基本单元（晶体管输出）项目4.1步进电机的定角控制（2）特殊适配器（差动线性驱动输出）项目4.1步进电机的定角控制（3）特殊功能模块/单元项目4.1步进电机的定角控制1.脉冲输出指令PLSY[S1]：指定脉冲频率。允许设定范围：1～32767Hz。[S2]：指定脉冲数目。16位指令可设1～32767个脉冲，32位指令可设1～2147483647个脉冲。若指定脉冲数为0，则持续产生脉冲。[D]：指定脉冲输出元件。FX3U的PLC只能用晶体管输出型PLC的Y0、Y1和Y2口。项目4.1步进电机的定角控制编程PLSY指令时，须注意如下几点。（1）脉冲的占空比为50%，输出控制不受扫描周期的影响，采用中断方式处理。（2）在指令执行过程中，若[S1]中的数据被更改，输出频率也随之改变（调速很方便）；若[S2]中的数据被更改，其输出脉冲数并不改变，只有驱动断开再一次闭合后才按新的脉冲数输出。（3）将下面的特殊辅助继电器置为ON后输出会停止。M8349：停止Y000脉冲输出（即刻停止）。M8359：停止Y001脉冲输出（即刻停止）。项目4.1步进电机的定角控制编程PLSY指令时，须注意如下几点。（4）设定的脉冲数输出完成后，将指令执行结束标志位M8029置为1，当执行条件X000断开后，M8029复位。（5）连续脉冲串的输出。把指令中的脉冲数设置为K0，指令的功能变为输出无数个脉冲串。项目4.1步进电机的定角控制2.带加/减速的脉冲输出指令PLSRPLSR指令与PLSY指令的区别在于PLSR指令在脉冲输出的开始和结束阶段可以实现加速和减速过程，其加速时间和减速时间一样，由[S3]指定。项目4.1步进电机的定角控制项目4.1步进电机的定角控制X0手动控制开关；X1原点位置；X2右限位；X3脱机按钮Y0脉冲；Y1方向；Y2使能；步进驱动器的控制信号是5V，而三菱晶体管输出型PLC的输出信号是24V，因此在PLC与步进驱动器之间串联一只2kΩ的电阻，起分压作用。三菱PLC的输出是NPN方式，因此采用共阳极接法。项目4.1步进电机的定角控制通过PLSY指令从Y000口输出频率为3000Hz，脉冲数为100

000个的脉冲，从而控制机械手右行或左行10cm【设备和工具】三菱FX3U-32MT/ESPLC1台、雷赛科技3ND583步进驱动器1台、三相573s15步进电机1台、安装有GXDeveloper或GXWorks2（或GXWorks3）软件的计算机1台、USB-SC09-FX编程电缆1根、开关和按钮若干、2kΩ电阻3个、通用电工工具1套。任务实施项目4.1步进电机的定角控制三菱FX3U系列PLC3ND583步进驱动器三相步进电机安装有GXWork2软件的电脑项目4.1步进电机的定角控制

1.任务要求

现有一台三相步进电机，步距角是1.5°，假设步进电机的运行速度为3

000Hz，旋转一周需要5

000个脉冲，电机的额定电流是2.1A。控制要求如下。（1）利用PLC控制步进电机顺时针转2周，停5s，逆时针转1周，停2s，如此循环进行，按下停止按钮，电机马上停止。（2）按下脱机开关，电机的轴松开。项目4.1步进电机的定角控制X0手动控制开关；X1原点位置；X2右限位；X3脱机按钮Y0脉冲；Y1方向；Y2使能；步进驱动器的控制信号是5V，而三菱晶体管输出型PLC的输出信号是24V，因此在PLC与步进驱动器之间串联一只2kΩ的电阻，起分压作用。三菱PLC的输出是NPN方式，因此采用共阳极接法。2．硬件电路项目4.1步进电机的定角控制3．程序设计具体程序请参考教材P163或在人邮教育社区官网/book/details/49465下载源程序项目4.1步进电机的定角控制项目4.1步进电机的定角控制2．硬件电路项目4.1步进电机的定角控制3．程序设计步6和步13分别通过速度选择开关将相应的频率3

000和5

000送到D0中

步20通过PLSY指令中的D0更改脉冲串的频率值，从而改变步进电机的速度。项目4.1步进电机的定角控制项目4.2步进电机的定长控制项目4.2步进电机的定长控制任务导入项目4.