运动控制技术基础课件 项目11 应用PLC脉宽调制功能实现步进电机的速度控制

BasicsOfMotionControlTechnology运动控制技术基础项目11应用PLC脉宽调制功能实现步进电机速度控制背景描述

项目11

应用PLC脉宽调制功能实现步进电机速度控制在很多生产设备和生产过程中，常需要对电机的运行速度进行精确的控制，以保证在一定负载范围内电机的转速可以精确稳定在某个预期值。普通交流异步电机的变频调速可以较为精确的改变旋转磁场的速度，但由于转差率的存在，电机的实际转速很难满足这一要求。从控制系统的角度出发，我们可以在两方面寻求解决办法，一是采用适合进行速度控制、满足速度精度的电机，二是采取合适的控制方式对电机进行满足精度需求的控制。在一些应用场合，步进电机不但能满足一定精度和载荷的需求，还具有控制相对简单，价格适宜等特点，不失为一种经济可行的有效选择。示范实例：资讯

某设备的工件送料定位装置采用三相步进电机驱动，电机型号为3S57Q-04079，配用的步进驱动器可实现400PPR（脉冲/转）的细分，要求步进电机能够实现正转速度375RPM（转/分钟）和反转速度300RPM。设备设有正转启动按钮、反转启动按钮以及停止按钮。该设备采用S7-300PLC进行控制，步进电机、步进驱动器、控制电路按钮、PLC等元器件已准备好，请根据控制要求完成以下任务：1.确定I/O分配表；2.完成步进电机主电路及PLC-步进驱动器控制电路图；3.完成步进电机主电路及PLC-步进驱动器控制电路连接；4.完成PLC程序编写；5.完成PLC程序下载并控制步进电机运行。项目11

应用PLC脉宽调制功能实现步进电机速度控制示范实例：资讯

步进电机是一类较为特殊的电机，在电脉冲的控制下，步进电机可以在一定负载范围内实现转向转速和转角的精确控制。改变步进电机绕组的通电脉冲的顺序可以改变步进电机的旋转方向；改变通电脉冲的频率可以改变步进电机运行的速度；改变通电脉冲的数量可以改变步进电机旋转的角度（位置），因此步进电机也被称为脉冲马达。步进电机的结构特点是定子铁芯的磁极上开有多个小齿，转子铁芯的圆周上也均布有很多小齿，当步进电机转子铁芯的某些小齿和定子铁芯磁极对齐时，另外一些小齿与定子铁芯磁极处于不对齐状态。项目11

应用PLC脉宽调制功能实现步进电机速度控制示范实例：资讯

步进电机工作时，当某相定子绕组通电时会在其磁极连线上产生一个磁场，从而使得转子铁芯的小齿与该磁极下的小齿对齐；当另一相定子绕组通电时，转子铁芯的小齿会与新的这一相绕组磁极下的小齿对齐，转子从而旋转一个角度，称为转过了一步，这个角度称为步距角。当按一定顺序交替给各相定子绕组通电，则转子铁芯将不断的和各相定子绕组产生的磁极对齐，进而形成连续的转动。步进电机在每一次对齐的过程中都可能因为负载或制造的原因而导致不能完全对齐，但每一次对齐都是重新对齐，前一次的误差并不能影响到后面的对齐，因此步进电机旋转时不存在累积误差，这保证了步进电机可持续准确地运行。步进电机按定子绕组数目通常分为二至五相，按转子齿槽结构和是否有永久磁铁分为反应式（变磁阻）、永磁式和混合式。项目11

应用PLC脉宽调制功能实现步进电机速度控制示范实例：资讯

步进电机需要专用的驱动器来获取所需要的脉冲。步进驱动器主要包括两个组成部分，一个是环形分配器，另一个是功率放大器。环形分配器的作用是根据指令脉冲和方向电平，按照步进电机绕组的通电序列为各相绕组分配对应的控制脉冲，各相绕组的控制脉冲仅存在相位差，其余波形频率都完全一致。环形分配器既可硬件实现，也可以软件实现。步进电机各相绕组的控制脉冲控制步进电机驱动器中功率开关管的通断，从而使绕组获得所需的电流。根据功率放大电路的不同，可分为单电压源功率放大、高低压功率放大和恒流斩波功率放大等驱动方式。相对来说，恒流斩波方式具有较好的驱动性能。项目11

应用PLC脉宽调制功能实现步进电机速度控制示范实例：资讯

常规上步进电机的步距角是由步进电机的结构和通电节拍来决定的。为了更进一步改善步进电机的综合使用性能，步进电机的细分驱动技术已得到充分的发展和广泛地使用。细分驱动控制技术通过控制步进电机各相绕组中的电流按一定的规律上升或下降，把传统的方波变换为从零电流到最大电流之间具有多个中间电流稳态的阶梯波，合成磁场的方向相应的也存在多个稳定的中间状态，相当于把原来的步距划分为了更多的等分。细分驱动的合成磁场的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，合成磁场矢量的方向决定了细分后步距角的大小。细分驱动技术进一步提高了步进电机转角精度和运行平稳性。使用细分驱动技术的步进电机其工作步距由细分方式决定，与电机固有的步距角没有直接关系。项目11

应用PLC脉宽调制功能实现步进电机速度控制示范实例：计划

序号项目内容时间人员1编制I/O分配表确定所需要的I/O点数并分配具体用途，编制I/O分配表（需提交）5分钟全体人员2绘制步进电机主电路及PLC-步进驱动器控制电路图根据I/O分配表绘制步进电机主电路及PLC-步进驱动器控制电路图20分钟全体人员3连接步进电机主电路及PLC-步进驱动器控制电路根据电路图完成步进电机主电路及PLC-步进驱动器控制电路连接15分钟全体人员4设置步进驱动器根据控制要求设置步进驱动器5分钟全体人员5编写步进电机速度控制PLC程序根据控制要求编写步进电机速度控制PLC程序25分钟全体人员6下载PLC程序运行把控制程序下载到PLC，实现步进电机的速度控制10分钟全体人员项目11

应用PLC脉宽调制功能实现步进电机速度控制示范实例：决策

按照工作计划表，项目小组全体成员共同确定I/O分配表，然后按两个小组分别实施系统硬件装调、参数设置和程序编写，共同进行调试运行，合作完成任务并提交任务评价表。项目11

应用PLC脉宽调制功能实现步进电机速度控制示范实例：实施

（一）编制I/O分配表（二）绘制步进电机主电路及PLC-步进驱动器控制电路图（三）连接步进电机主电路及PLC-步进驱动器控制电路（四）步进驱动器设置（五）编写PLC程序1.S7-300PLC高速脉冲输出的硬件组态与编程地址2.正反转控制程序3.速度信号控制程序（六）下载PLC程序运行项目11

应用PLC脉宽调制功能实现步进电机速度控制示范实例：检查

项目分值评分标准检查情况得分编制I/O分配表101.所有输入地址编排合理，节约硬件资源，元件符号与元件作用说明完整，5分；2.所有输出地址编排合理，节约硬件资源，元件符号与元件作用说明完整，5分。

绘制步进电机主电路及PLC-步进驱动器控制电路图101.电路图元件齐全，标注正确，5分；2.电路功能完整，布局合理，5分。

连接步进电机主电路及PLC-步进驱动器控制电路101.安全违章扣10分；2.安装不达标一项扣2分。

设置步进驱动器10能根据控制需要正确设置驱动器。

编写步进电机速度控制PLC程序501.功能正确，程序段合理，30分；2.符号表正确完整，10分；3.绝对地址、符号地址显示正确，程序段注释合理，10分。

下载PLC程序运行101.程序下载正确，PLC指示灯正常，5分；2.程序运行操作正确，能实现预定功能，5分。合计100

项目11

应用PLC脉宽调制功能实现步进电机速度控制示范实例：评价

表11-5应用PLC脉宽调制功能实现步进电机的速度控制项目自评表

签名：日期：11-6应用PLC脉宽调制功能实现步进电机的速度控制项目他评表

签名：日期：项目11

应用PLC脉宽调制功能实现步进电机速度控制实践练习

某设备的工件进给装置采用两相步进电机驱动，电机型号为2S86Q-051F6，配用的步进驱动器可实现200PPR（脉冲/转）的细分，要求步进电机能够实现正反转，可分别运行在750RPM（转/分钟）和600RPM两种速度下。设备设有正转启动按钮、反转启动按钮、速度选择按钮以及停止按钮。该设备采用S7-300PLC进行控制，步进电机、步进驱动器、控制电路按钮、PLC等元器件已准备好，请根据控制要求完成以下任务：1.确定I/O分配表；2.完成步进电机主电路及PLC-步进驱动器控制电路图；3.完成步进电机主电路及PLC-步进驱动器控制电路连接；4.完成PLC程序编写；5.完成PLC程序下载并控制步进电机运行。项目11

应用PLC脉宽调制功能实现步进电机速度控制扩展提升

某设备的工件传送转盘采用两相步进电机驱动，电机型号为2S86Q-4580，配用的步进驱动器可实现400PPR（脉冲/转）的细分，要求步进电机能够自动实现正反转切换，正转速度为300RPM（转/分钟），运行25秒停止5秒，然后反转，反转速度375RPM，运行20秒停止5秒，然后正转，按下停止按钮电机停止运行。设备设有正转启动按钮、反转启动按钮以及停止按钮。该设备采用S7-