步进运动控制 第5章 智能运动控制基础课件

运动控制技术概述PLC运动控制器PLC的运动控制交流电机运动控制步进运动控制伺服运动控制目录Contents运动控制技术概述PLC运动控制器PLC的运动控制交流电机运动控制步进运动控制伺服运动控制目录Contents5.1认识步进电机第5章步进运动控制本节教学目标1.了解步进电机的工作原理。2.了解步进电机的类型与工作参数。步进电机1.步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的电动机，是开环控制元件。2.每接收到一个脉冲信号，步进电机的转子就转动一个角度或前进一步。分单相交流电动机5.1认识步进电机第5章步进运动控制工作原理利用电磁学的电磁感应原理，由缠绕在定子齿槽上的线圈将输入的电能转换为机械能，为转子提供驱动力。步进电机的定子负责产生磁场，转子负责跟随磁场，定子线圈固定、转子磁体旋转。5.1认识步进电机第5章步进运动控制类型1.按励磁方式分为PM（PermanentMagnet永磁型），VR（VariableReluctance反应型）和HS（HybridStepping混合型）三种；2.按相数可分为单相、两相、三相和多相等形式。目前所采用的步进电机中以两相HS（混合型）步进电机为主。参数指标1.相数m：产生不同对电磁场的定子线圈对数。2.拍数n：步进电机转过一个齿距角所需脉冲数，如四相步进电机的单四拍：A-B-C-D-A和双四拍：AB-BC-CD-DA-AB，导电顺序反向，则步进电机也反向转动，如四相单四拍运行方式是D-C-B-A-D时，电机将反转。。3.步距角θ

：一个脉冲信号，步进电机转子转过的角位移，θ=360°/（转子齿数J×运行拍数）。如：转子为50齿的二相步进电机，四拍运行时步距角为θ=360°/（50×4）=1.8°，八拍运行时步距角为θ=360°/（50×8）=0.9°。5.2步进电机驱动器第5章步进运动控制本节教学目标1.了解步进电机驱动器的结构。2.熟悉步进电机驱动器的电气连接方法3.了解步进驱动器细分的原理与设定。分单相交流电动机步进电机驱动器1.步进电机和步进电机驱动器一同构成步进驱动系统。分单相交流电动机5.2步进电机驱动器第5章步进运动控制步进驱动系统组成结构1.系统组成包括：PLC+步进驱动器+步进电机+电源+控制元件。2.步进电机驱动器通过环形分配器接收控制器发来的信号，包括脉冲信号（CP）、方向信号（DIR）和、脱机信号（FREE），再分配给功率放大器，来控制步进电机各相绕组的通电和断电。3.脉冲信号的频率控制步进电机的转速。4.脉冲信号的个数控制步进电机的旋转周数。5.2步进电机驱动器第5章步进运动控制步进驱动的细分原理1.步进电机通过驱动器的细分，能够减小步距角，提高了运动控制精度。2.如右所示，从（1）→（2）→（3）→（4），线圈A、B的电流值连续变化，两个线圈产生的合成电磁场是一个顺时针旋转且步距角22.5°的细分驱动电磁场。3.细分驱动的原理：按照细分算法，通过细分电路向线圈A、B输出不同的电流值来控制相电流的大小，从而改变线圈产生的磁场强度，进而改变转子的平衡位置。5.2步进电机驱动器第5章步进运动控制步进驱动器的细分功能步进电机驱动器一般具有拨动开关端子，通过几个开关的不同组合方式来设置细分数值或工作电流的大小。5.3步进运动控制系统的电气连接第5章步进运动控制本节教学目标1.掌握步进驱动器与步进电机的连接方法。2.掌握共阳极、共阴极连接方式。3.熟悉步进电机的不同引线方式。4.掌握步进驱动器与控制器的连接方法。5.3步进运动控制系统的电气连接第5章步进运动控制共阴极型步进驱动器的电气连接共阳极型步进驱动器的电气连接5.3.1步进电机驱动器与步进电机的电气连接第5章步进运动控制步进电机的引线1.步进电机内部线圈在外部的引线一般是按照不同颜色来区分的，而且不同厂商对于引线的颜色也有不同的定义，如有些两相四线制步进电机的引线颜色是红、绿、黄、蓝，有些则是红、蓝、黑、绿，因此使用时需确认A、B相对应的引线，不能接错相线。2.以两相四线制步进电机为例，区分相线的办法如下：（1）将任意两根引线短接在一起，不需通电，然后转动电机轴。（2）如果有较大的转动阻力，则这两根引线即为同相。（3）如果电机轴可轻松转动，则这两根引线是不同相的。3.图中，红色和绿色同为A相引线，将它们连接在一起时，电机轴转动是有阻力的。红色和黄色是不同相的引线，将它们连接在一起时，电机轴可以轻松转动。5.3.1步进电机驱动器与步进电机的电气连接第5章步进运动控制步进电机的引线与旋转方向1.步进电机的引线与电机旋转方向有关。2.首先确认步进电机同相的引线与步进驱动器的连接端子连接无误，如A+端子连接红色引线、A-端子连接绿色引线，B+端子连接黄色引线、B-端子连接蓝色引线。3.通过引线改变步进电机旋转方向的方法：将连接A+、A-端子或B+、B-端子的引线对调，步进电机的旋转方向即可更换方向。5.3.1步进电机驱动器与控制器的电气连接第5章步进运动控制共阴极型驱动器（1）DC+、DC-：电源端子，连接DC24V电源正负极。（2）PUL+、PUL-：脉冲端子，PUL+连接PLC的高速脉冲输出端子，接收PLC发出脉冲信号；PUL-连接DC-。（3）DIR+、DIR-：方向端子，DIR+连接PLC的输出端子，接收PLC发出的电平信号；DIR-连接DC-。（4）ENA+、ENA-：使能端子，ENA+连接PLC的输出端子，接收PLC发出的电平信号；ENA-连接DC-。一般该组端子可不接。5.3.1步进电机驱动器与控制器的电气连接第5章步进运动控制共阳极型驱动器（1）公共端：输入信号的公共端子，一般连接DC24V电源正极。（2）脉冲：脉冲端子，连接PLC的高速脉冲输出端子，接收PLC发出脉冲信号，通过这组端子控制步进电机。（3）方向：方向端子，连接PLC的输出端子，接收PLC发出的电平信号，控制步进电机的旋转方向。（4）脱机：使能端子，连接PLC的输出端子，接收PLC发出的电平信号，控制电机是否脱机。连接时电机脱机，即可以手动旋转步进电机，同时脉冲信号无法控制步进电机。一般该组端子可不接。5.4步进运动控制系统案例第5章步进运动控制本节教学目标1.掌握步进运动控制系统的整体设计方法。2.掌握步进运动控制的常用指令。3.掌握步进运动控制系统的向导组态。分单相交流电动机案例知识点1.二相八线步进电机及其驱动器。2.PLC步进运动控制系统的电气连接。3.多段管线PTO。4.滚珠丝杆导程。分单相交流电动机5.4.1案例1：自动往复传送机构5.4.1案例1：自动往复传送机构第5章步进运动控制任务要求设计一条步进控制运动机构，用来自动传送工件。功能要求：启动按钮按下后，传送机构通过步进运动控制系统自动地在两个工位A、B间做高速往复运动，重复完成将工件原料由工位A运送至工位B的工序动作。停止按钮按下时，机构立刻停止运行。分单相交流电动机技术要求（1）工件外形尺寸：长方体，20mm×15mm。（2）上料方式：手动上料，无需设计。（3）传送方式：采用滚珠丝杆传动方式，在两个不同工位A、B之间往复运行。（4）控制系统：采用PLC+步进驱动系统。（5）控制模式：手动启停，运动过程全自动。（6）定位精度：工位定位误差不超过1mm。5.4.1案例1：自动往复传送机构第5章步进运动控制系统方案设计1.本案例采用PLC、滚珠丝杆传送机构、步进电机驱动系统实现工作台的定位控制，达到工作台往复运动的功能。2.根据技术要求，完成设备选型。3.雷赛M542步进驱动器：输出电流1.00A至4.20A；细分16档从400～25000。名称型号规格说明PLC主机西门子SMARTST30晶体管输出100kHz步进电机雷赛57HS09额定电流2.8A、步距角1.8度步进驱动器雷赛M542二相步进电机驱动器限位开关欧姆龙V-155-1C25滚珠丝杆限位滚珠丝杠模组NSK导程10mm5.4.1案例1：自动往复传送机构第5章步进运动控制滚珠丝杆1.滚珠丝杠是常用的机械传送机构，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动。2.螺距是丝杠上螺母转一圈所行走的直线距离，一般有5mm，10mm，20mm等。3.运动控制系统主要关注滚珠丝杆的导程，即同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两点间的轴向距离。4.导程与直线速度有关，在输入转速一定的情况下，导程越大速度越快。运动控制系统中，导程优先选择5和10。5.4.1案例1：自动往复传送机构第5章步进运动控制设计系统的电气控制连接和I/O配置序号I/O地址I/O类型说明1I0.0DI工作台原点限位开关2I0.1DI工作台左极限限位开关3I0.2DI工作台右极限限位开关4I0.3DI启动按钮5I0.4DI停止按钮6I0.5DI回零按钮7Q0.0DO步进脉冲信号8Q0.1DO步进方向信号9M0.0中间寄存器复位开始10M0.1中间寄存器复位回右限位11M0.2中间寄存器复位回原点序号I/O地址I/O类型说明12M0.3中间寄存器等待启动13M0.4中间寄存器从原点到左工位14M0.5中间寄存器到达左工位15M0.6中间寄存器从左工位到右工位16M0.7中间寄存器到达右工位17M1.0中间寄存器从右工位到左工位18M1.1中间寄存器往复动作完成1次19M1.2中间寄存器启动步进电机20T40定时器复位前延时2s21T37定时器左工位延时22T38定时器右工位延时5.4.1案例1：自动往复传送机构第5章步进运动控制设置步进驱动系统1.本案例选用的是雷赛57HS09两相八线制步进电机。2.本案例中，工作台需要的是低速精确定位，因此选择串联方式连接驱动器与步进电机。3.根据所选用的滚珠丝杠导程以及技术要求的控制精度，选取步进电机的运行参数为：4000步/转，工作电流1.69A，通过拨码进行设置。相数步距角（°）保持转矩N·M额定电流A引线数电机重量Kg机身长mm21.80.92.880.656接法驱动器接线端电机引线适用场合串联A+A1蓝低速A-C1绿B+B1棕B-D1白悬空A2红-C2黄（相连）悬空B2黑-D2橙（相连）并联A+A1蓝-C2黄高速A-A2红-C1绿B+B1棕-D2橙B-B2黑-D1白SW1SW2SW3SW4SW5SW6SW7SW8offoffonoffonoffonoff5.4.1案例1：自动往复传送机构第5章步进运动控制设置多段管线PTO1.本案例采用3段管线包络曲线，包括加速段、恒速段和减速段。

①段1：加速段，启动频率2000Hz，输出脉冲200个。

②段2：恒速段，运行频率10000Hz，输出脉冲个数由程序设定。

③段3：减速段，停止频率200Hz，输出脉冲200个。2.SMART从V存储器的包络表中自动读取每个脉冲串段的数据，每段PTO的数据都包括了：32位起始频率、32位结束频率和32位脉冲计数值。包络表地址数值说明段VB03总段数

VD12000起始频率（Hz）段1VD510000结束频率（Hz）VD9200脉冲数VD1310000起始频率（Hz）段2VD1710000结束频率（Hz）VD2180000（程序设定，可变）脉冲数VD2510000起始频率（Hz）段3VD292000结束频率（Hz）VD33200脉冲数5.4.1案例1：自动往复传送机构第5章步进运动控制设计控制程序1.程序由主程序Main、子程序SBR0、SBR1、SBR2组成。主程序编写运动逻辑程序，控制工作台全自动的往复运动，确保达到技术要求的运动规则和运动精度。通过初始化子程序SBR0设定多段管线的参数值，通过PTO运行子程序SBR1输出包络脉冲，通过停止子程序SBR2停止电机运动。主程序5.4.1案例1：自动往复传送机构第5章步进运动控制设计控制程序5.4.1案例1：自动往复传送机构第5章步进运动控制设计控制程序PTO初始化子程序SBR05.4.1案例1：自动往复传送机构第5章步进运动控制设计控制程序PTO运行子程序SBR1PTOT停止子程序SBR25.4.2案例2：定长切割装置第5章步进运动控制案例知识点1.步进控制的运动轴组态。2.步进控制的运动轴子例程。分单相交流电动机任务要求设计一条物料定长切割装置，实现物料自动运输、自动切割。功能要求：启动按钮按下时，传送带开始传送原料，传送x米后暂停，切割机构将原料快速切断，切割完成后，传送带继续传送原料，重复每x米切割一次原料的动作。停止按钮按下时，机器会完成当前操作后停止。急停按钮按下时，机器中止所有运动并立即停止。5.4.2案例2：定长切割装置第5章步进运动控制系统方案设计及设备选型根据要求：1.定长操作采用步进驱动系统控制皮带线传送机构，实现原料直线运动距离的精确控制；2.切割操作采用气动元件驱动切割机构，动作快速且具有足够切力，实现刀具垂直动作切断原料。分单相交流电动机名称型号规格说明PLC主机西门子SMARTST30晶体管输出100kHz步进电机雷赛57HS22额定电流5A、步距角1.8度步进驱动器雷赛M545D二相步进电机驱动器气缸组件SMCJMGP-M-100薄型导杆气缸5.4.2案例2：定长切割装置第5章步进运动控制运动向导配置参考本书第3章3.5节的运动控制组态步骤。分单相交流电动机5.4.2案例2：定长切割装置第5章步进运动控制运动向导配置参考本书第3章3.5节的运动控制组态步骤。分单相交流电动机5.4.2案例2：定长切割装置第5章步进运动控制I/O配置-设计程序根据案例要求与运动控制向导的设置，配置PLC的输入输出点。设计控制程序。单相交流电动机序号I/O地址I/O类型说明1I0.0D