步进电机PLC控制(课堂用)课件

综合实训项目综合实训项目-步进电机的步进电机的PLCPLC控制控制1.1.完成步进电机、输入按钮与完成步进电机、输入按钮与PLCPLC的系统连接的系统连接2.2.编程实现步进电机的正向运转编程实现步进电机的正向运转3.3.用两个按钮，实现用两个按钮，实现0.001S0.001S步进控制和步进控制和1S1S步进控制步进控制4.4.用两个开关，实现用两个开关，实现100100步计数控制和步计数控制和1010步计数控制步计数控制5.5.用一个按钮实现步进的正反转控制用一个按钮实现步进的正反转控制2024/7/22综合实训项目综合实训项目-步进电机的步进电机的PLC控制控制1.完成步进电机、输入按钮完成步进电机、输入按钮能力（技能）目标能力（技能）目标知识目标知识目标1.1.能给出步进电机控制系统的能给出步进电机控制系统的功能描述功能描述2.2.能画出能画出PLCPLC控制系统的输入输控制系统的输入输出接线图出接线图 3.3.能写出输入输出的能写出输入输出的I/OI/O表表4.4.能完成梯形图程序的编制能完成梯形图程序的编制5.5.能写入软件验证程序的正确能写入软件验证程序的正确性并运行性并运行1.1.步进电机的结构与原理步进电机的结构与原理2.2.基本输入输出指令基本输入输出指令3.3.定时器指令、计数指令定时器指令、计数指令4.4.高级指令（移位指令高级指令（移位指令MOVMOV和数和数据传送指令据传送指令SFTL/SFTRSFTL/SFTR）2024/7/22能力（技能）目标知识目标能力（技能）目标知识目标1.能给出步进电机控制系统的功能描述能给出步进电机控制系统的功能描述步进电动机的工作原理与特点步进电动机的工作原理与特点原理：步进电机是利用电磁铁原理原理：步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号转换成线位移将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。它的运动形式是步进式的。动机械移动一小段距离。它的运动形式是步进式的。特点：特点：(1)(1)来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。(2)(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)(3)改变脉冲顺序，改变转动方向。改变脉冲顺序，改变转动方向。(4)(4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比角位移量或线位移量与电脉冲数成正比.2024/7/22步进电动机的工作原理与特点原理：步进电机是利用电磁铁原理步进电动机的工作原理与特点原理：步进电机是利用电磁铁原理,将将步进电机的结构和工作原理步进电机的结构和工作原理1.步进电机结构步进电机结构 步进电机可分为反应式和励磁式两大类。两类的区别在于反应式步进电机转步进电机可分为反应式和励磁式两大类。两类的区别在于反应式步进电机转子上无励磁绕组，转子上出现的磁极是由于定于绕组通电后产生的磁场而生成的。子上无励磁绕组，转子上出现的磁极是由于定于绕组通电后产生的磁场而生成的。两类步进电机的动作原理相同，这里以反应式步进电机为例进行分析。两类步进电机的动作原理相同，这里以反应式步进电机为例进行分析。图图5-41是一种三相反应式步进电机，它由定子与转子两部分构成。电机定子是一种三相反应式步进电机，它由定子与转子两部分构成。电机定子上有六个磁极，每个极上装有控制绕组，每两个相对的磁极组成一相。上有六个磁极，每个极上装有控制绕组，每两个相对的磁极组成一相。脉脉冲冲分分配配器器放放大大器器步步进进机机负负载载脉冲信号脉冲信号步进电机的结构和工作原理脉冲放步脉冲信号步进电机的结构和工作原理脉冲放步脉冲信号步进电机的转动受脉冲信号控制，每来一个脉冲信号，定步进电机的转动受脉冲信号控制，每来一个脉冲信号，定子绕组通电的状态就改变一次，而定子绕组通电后产生的子绕组通电的状态就改变一次，而定子绕组通电后产生的磁场对转子产生作用将使转子产生一个角位移。改变步进磁场对转子产生作用将使转子产生一个角位移。改变步进电机定子绕组通电状态的电路称为脉冲分配器。控制脉冲电机定子绕组通电状态的电路称为脉冲分配器。控制脉冲信号来到后，先送到脉冲分配器，经过分配器输出的信号信号来到后，先送到脉冲分配器，经过分配器输出的信号决定各定子绕组通电的顺序和步进电机转动的速度。步进决定各定子绕组通电的顺序和步进电机转动的速度。步进电机控制电路框图如图电机控制电路框图如图5-42 所示。从分配器输出的脉冲信所示。从分配器输出的脉冲信号还需经过功率放大之后才能送至步进电机的定子绕组。号还需经过功率放大之后才能送至步进电机的定子绕组。步进电机的转动受脉冲信号控制，每来一个脉冲信号，定子绕组通电步进电机的转动受脉冲信号控制，每来一个脉冲信号，定子绕组通电工作方式工作方式 步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、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。三相双三拍等。一、三相单三拍一、三相单三拍一、三相单三拍一、三相单三拍（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y Y 型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A A 相相 B B 相相 C C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为：A A 相相 C C 相相 B B 相相 2024/7/22工作方式工作方式 步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双（3 3）工作过程）工作过程引转子，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，引转子，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩，因此会在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、定子的齿对齐停止转动。使转子转动，使转、定子的齿对齐停止转动。A A 相通电，相通电，A A 方向的方向的磁通经转子形成闭合回路。磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸作用下，转子被磁化，吸A A 相通电使转子相通电使转子1 1、3 3齿和齿和 AA AA 对齐。对齐。CABBCA34122024/7/22（3）工作过程引转子，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合）工作过程引转子，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合CABBCA3412B B相通电，转子相通电，转子2 2、4 4齿和齿和B B相相轴线对齐，相对轴线对齐，相对A A相通电位相通电位置转置转3030；1C342CABBAC C相通电再转相通电再转3030 2024/7/22CABBCA3412B相通电，转子相通电，转子2、4齿和齿和B相轴线对相轴线对这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1 1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30 30。此角称为步距角，。此角称为步距角，用用S S表示。表示。（2 2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通）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转向。电顺序即可改变转向。2024/7/22这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周二、三相单双六拍二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为：A AABABB BBCBCC CCACAA A 共六拍。共六拍。工作过程：工作过程：A A相通电，转子相通电，转子1 1、3 3齿和齿和A A相对齐。相对齐。C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 22024/7/22二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：工作过程：二、三相单双六拍三相绕组的通电顺序为：工作过程：A相通电，转相通电，转所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA AA 通电，通电，转子转了转子转了1515。（1 1）BB BB 磁场对磁场对 2 2、4 4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针 方向转动。方向转动。A A、B B相同时通电相同时通电（2 2）AA AA 磁场继续对磁场继续对1 1、3 3齿有拉力。齿有拉力。C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 22024/7/22所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了通电，转子转了总总之之，每每个个循循环环周周期期，有有六六种种通通电电状状态态，所所以以称称为为三三相相六六拍，步距角为拍，步距角为1515。CABBCA3412B B相通电，转子相通电，转子2 2、4 4齿和齿和B B相对齐，又转了相对齐，又转了1515。2024/7/22总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角三、三相双三拍三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为：AB AB BC BC CA CA AB AB 共三拍。共三拍。AB通电通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电通电2024/7/22三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：三、三相双三拍三相绕组的通电顺序为：AB通电通电CABBC以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，因此较常采用。相单三拍稳定，因此较常采用。工工作作方方式式为为三三相相双双三三拍拍时时，每每通通入入一一个个电电脉脉冲冲，转转子子也也是是转转3030，即即 S S=30=30。CACA通电通电C CAAB BBBCCA A3 34 41 12 22024/7/22以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，以上三种工作方式，三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定，步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。称为步距角。N:N:一个周期的运行拍数一个周期的运行拍数,即通电状态即通电状态循环一周需要改变的次数循环一周需要改变的次数ZrZr：转子齿数：转子齿数如：如：Z Zr r=40,=40,N N=3=3 时时 步距角步距角拍数：拍数：N=kmN=kmk=k=1 1 单拍制单拍制2 2 双拍制双拍制m:m:相数相数2024/7/22步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。称为步距角。N:一个周一个周 细分：细分就是指电机运行时的实际步矩角是基本步矩角的细分：细分就是指电机运行时的实际步矩角是基本步矩角的几分之一。如：驱动器工作在几分之一。如：驱动器工作在1010细分状态时，其步矩角只为电机固有细分状态时，其步矩角只为电机固有步矩角的十分之一，也就是说：当驱动器工作在不细分的整步状态时，步矩角的十分之一，也就是说：当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.81.8，而用细分驱动器工作，而用细分驱动器工作在在1010细分状态时，电机只转动了细分状态时，电机只转动了0.180.18。细分功能完全是由驱动器靠。细分功能完全是由驱动器靠精度控制电机的相电流所产生的，与电机无关。精度控制电机的相电流所产生的，与电机无关。细分：细分就是指电机运行时的实际步矩角是基本细分：细分就是指电机运行时的实际步矩角是基本脉脉冲冲分分配配器器放放大大器器步步进进机机负负载载脉冲信号脉冲信号改变步进电机定子绕组通电状态的电路称为脉冲分配器。改变步进电机定子绕组通电状态的电路称为脉冲分配器。控制脉冲信号来到后，先送到脉冲分配器，经过分配器输控制脉冲信号来到后，先送到脉冲分配器，经过分配器输出的信号决定各定子绕组通电的顺序和步进电机转动的速出的信号决定各定子绕组通电的顺序和步进电机转动的速度。度。脉冲放步脉冲信号改变步进电机定子绕组通电状态的电路称为脉冲分脉冲放步脉冲信号改变步进电机定子绕组通电状态的电路称为脉冲分步进驱动器原理步进驱动器原理从步进电机的转动原理可以看出，要使步进电机正常运行，必须按规律控制步进电机的每一相绕组得电。步进驱动器接收外部的信号是方向信号（DIR）和脉冲信号（CP）。另外步进电机在停止时，通常有一相得电，电机的转子被锁住，所以当需要转子松开时，可以使用脱机信号（FREE）.步进驱动器原理从步进电机的转动原理可以看出，要使步进电机正常步进驱动器原理从步进电机的转动原理可以看出，要使步进电机正常步进驱动器步进驱动器环型分配器的功能：主要是把外部CP端送入的脉冲进行分配，给功率放大器，功率放大器相应的晶体管导通，步进电机的线圈得电。步进驱动器环型分配器的功能：主要是把外部步进驱动器环型分配器的功能：主要是把外部CP端送入的脉冲进行端送入的脉冲进行步进电机步进电机PLC控制控制(课堂用课堂用)课件课件（3 3）步进电机驱动器的端子与接线）步进电机驱动器的端子与接线（3）步进电机驱动器的端子与接线）步进电机驱动器的端子与接线 PLC与步进电机驱动器，步进电机驱动器与步进电机的接线：PLC与步进电机驱动器，步进电机驱动器与步进电机与步进电机驱动器，步进电机驱动器与步进电机步进电动机的驱动步进电动机的驱动步进电动机的驱动步进电动机的驱动步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器、脉冲分配器和脉冲放大器（也称功率放大器）三部分组成。大器（也称功率放大器）三部分组成。2024/7/22步进电动机的驱动步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器、脉冲分步进电动机的驱动步进电动机的驱动电源主要由脉冲发生器、脉冲分高速脉冲输出高速脉冲输出高速脉冲输出有脉冲串输出高速脉冲输出有脉冲串输出PTOPTO和脉宽调制输出和脉宽调制输出PWMPWM两种形式。两种形式。每个每个CPUCPU有两个有两个PTO/PWMPTO/PWM发生器，一个发生器分配发生器，一个发生器分配给输出端给输出端Q0.0Q0.0，另一个分配给，另一个分配给Q0.1Q0.1。当。当Q0.0Q0.0或或Q0.1Q0.1设定为设定为PTOPTO或或PWMPWM功能时，其他操作均失效。功能时，其他操作均失效。不使用不使用PTO/PWMPTO/PWM发生器时，发生器时，Q0.0Q0.0或或Q0.1Q0.1作为普通输作为普通输出端子使用。通常在启动出端子使用。通常在启动PTOPTO或或PWMPWM操作之前，用操作之前，用复位复位R R指令将指令将Q0.0Q0.0或或Q0.1Q0.1清清0 0。高速脉冲输出高速脉冲输出脉冲串输出（脉冲串输出（PTOPTO）PTO功能可输出一定脉冲个数和占空比为50%的方波脉冲。输出脉冲的个数在1-4 294 967 295范围内可调；输出脉冲的周期以s或ms为增量单位，变化范围分别是1065 535s或265 535ms。如果周期小于两个时间单位，周期被默认为两个时间单位。如果指定的脉冲数为0，则脉冲数默认为1。PTO功能允许多个脉冲串排队输出，从而形成流水线。流水线分为两种：单段流水线(流水线中只能存储一个脉冲串的控制参数）和多段流水线（需建立包络表，执行时可按包络表的顺序输出多个脉冲串）。脉冲串输出（脉冲串输出（PTO）PTO功能可输出一定脉冲个数和占功能可输出一定脉冲个数和占每个高速脉冲发生器对应一定数量特殊标志寄存器，这些寄存器包括控制字节寄存器、状态字节寄存器和参数数值寄存器，用以控制高速脉冲的输出形式、反映输出状态和参数值。各寄存器分配如表所示。每个高速脉冲发生器对应一定数量特殊标志寄存器，这些寄存器包括每个高速脉冲发生器对应一定数量特殊标志寄存器，这些寄存器包括控制字节每个高速脉冲输出都对应一个控制字节，通过对控制字节中指定位的编程，可以根据操作要求设置字节中各控制位，如脉冲输出允许、PTO/PWM模式选择、单段/多段选择、更新方式、时间基准、允许更新等。控制字节中各控制位的功能如表所示。控制字节控制字节高速脉冲串输出PTO（1）周期和脉冲数（2）PTO的种类（3）中断事件类型（4）PTO的使用高速脉冲串输出高速脉冲串输出PTO（1）周期和脉冲数）周期和脉冲数（1）周期和脉冲数周期：单位可以是微秒s或毫秒ms；为16位无符号数据，周期变化范围是5065535s或265535ms，通常应设定周期值为偶数，若设置为奇数，则会引起输出波形占空比的轻微失真。如果编程时设定周期单位小于2，系统默认按2进行设置。脉冲数：用双字长无符号数表示，脉冲数取值范围是14294967295之间。如果编程时指定脉冲数为0，则系统默认脉冲数为1个。（1）周期和脉冲数周期：单位可以是微秒）周期和脉冲数周期：单位可以是微秒s或毫秒或毫秒ms；为；为16（4）PTO的使用使用高速脉冲串输出时，要按以下步骤进行：确定脉冲发生器及工作模式 设置控制字节 写入周期值、周期增量值和脉冲数(装入包络的首地址)(设置中断事件并全局开中断)执行PLS指令（4）PTO的使用使用高速脉冲串输出时，要按以下步骤进行：的使用使用高速脉冲串输出时，要按以下步骤进行：高速脉冲输出指令高速脉冲输出指令 1指令格式及功能PLSENQ0.X说明：说明：1 1）高速脉冲串输出）高速脉冲串输出PTOPTO和脉宽调制输出和脉宽调制输出PWMPWM都由都由PLSPLS指令指令来激活；来激活；2 2）操作数）操作数X X指定脉冲输出端子，指定脉冲输出端子，0 0为为Q0.0Q0.0输出，输出，1 1为为Q0.1Q0.1输出；输出；3 3）高速脉冲串输出）高速脉冲串输出PTOPTO可采用中断方式进行控制，而脉可采用中断方式进行控制，而脉宽调制输出宽调制输出PWMPWM只能由指令只能由指令PLSPLS来激活。来激活。功能：当使能端输入有效时，PLC首先检测为脉冲输出位（X）设置的特殊存储器位，然后激活由特殊存储器位定义的脉冲操作高速脉冲输出指令高速脉冲输出指令 1指令格式及功能指令格式及功能PLS说明：功能：说明：功能：图7-15 PTO脉冲输出初始化子程序/设置PTO0控制字/设置周期时间为500ms /设置脉冲数为6 /定义中断程序0处理PTO0中断事件/全局中断允许/激活PTO0操作，PLS0由Q0.0输出2 2PTO/PWMPTO/PWM指令编程举例指令编程举例图图7-15 PTO脉冲输出初始化子程序脉冲输出初始化子程序/设置设置PTO0控制控制四、基于四、基于PLCPLC与步进电机的小车自动往返控制与步进电机的小车自动往返控制项目一：步进电机正反转控制项目一：步进电机正反转控制 用用S7-200 PLCS7-200 PLC控制步进电机正转与反转。把步进电机驱动控制步进电机正转与反转。把步进电机驱动器的器的D2D2设置为设置为OFFOFF，即，即PUPU为步进脉冲信号，为步进脉冲信号，DRDR为方向控制信号。为方向控制信号。PLCPLC的的Q0.0Q0.0输出高速脉冲至步进电机驱动器的输出高速脉冲至步进电机驱动器的PUPU端，端，Q0.1Q0.1控制步进电机反转。控制步进电机反转。对应小车的运行各输出点分配如下：对应小车的运行各输出点分配如下：正转启动，正转启动，I0.0I0.0；反转启动，反转启动，I0.1I0.1；向左运行，向左运行，Q0.0Q0.0发脉冲，发脉冲，Q0.1Q0.1为为OFFOFF；向右运行，向右运行，Q0.0Q0.0发脉冲，发脉冲，Q0.1Q0.1为为ONON；停止，停止，Q0.0Q0.0停止发脉冲，停止发脉冲，Q0.1Q0.1为为OFFOFF。四、基于四、基于PLC与步进电机的小车自动往返控制项目一：步进电机正与步进电机的小车自动往返控制项目一：步进电机正步进电机步进电机PLC控制控制(课堂用课堂用)课件课件控制程序如图所示。控制程序如图所示。控制程序如图所示。控制程序如图所示。