步进电机PLC控制 (课堂用)

综合实训项目1-步进电机的PLC控制
综合实训项目1-步进电机的PLC控制
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
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（1）周期和脉冲数
• 周期：单位可以是微秒μs或毫秒ms；为16位 无符号数据，周期变化范围是50~65535μs或 2~65535ms ，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1~4294967295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。
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•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。
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。
三相单三拍的特点： （1）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称为步距角， 用S表示。 （2）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。
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二、三相单双六拍 三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。 工作过程：
•
脉 冲 分 配 器
放 大 器
步 进 机
负 载
脉冲信号
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• 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 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 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 电机控制电路框图如图5-42 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。
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• • • 步进电机的结构和工作原理 1.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 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。 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 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。
PLS EN Q0.X
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
说明： 1）高速脉冲串输出PTO和脉宽调制输出PWM都由PLS指 令来激活； 2）操作数X指定脉冲输出端子，0为Q0.0输出，1为 Q0.1输出； 3）高速脉冲串输出PTO可采用中断方式进行控制，而 脉宽调制输出PWM只能由指令PLS来激活。
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。
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综合实训项目1-步进电机的PLC控制 （3）步进电机驱动器的端子与接线
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PLC与步进电机驱动器，步进电机驱动器 与步进电机的接线：
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步距角 步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。
360 S Zr N
如：Zr=40 ,
N:一个周期的运行拍数,即通电状态
循环一周需要改变的次数 Zr：转子齿数
360 N=3 时 S 3 40 3
1 单拍制 m:相数 k= 2 双拍制
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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、 三相双三拍等。 一、三相单三拍 （1）三相绕组联接方式：Y 型 （2）三相绕组中的通电顺序为：
A 相 B 相 C 相
通电顺序也可以为： A 相 C 相 B 相
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A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。
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A
B'
A
C'
B
A'
B'
C' B
A'
C
C
B相通电，转子2、4齿和B
相轴线对齐，相对A相通电
位置转30；
C相通电再转30
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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。
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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 大器（也称功率放大器）三部分组成。
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高速脉冲输出
高速脉冲输出有脉冲串输出PTO和脉宽调制输出PWM 两种形式。 每个CPU有两个PTO/PWM发生器，一个发生器分配给 输出端Q0.0，另一个分配给Q0.1。当Q0.0或Q0.1设定 为PTO或PWM功能时，其他操作均失效。不使用PTO/PWM
（3）工作过程 A
B'
4 1 3 A' 2
A 相通电，A 方向的
C'
B 磁通经转子形成闭合回路。
若转子和磁场轴线方向原
有一定角度，则在磁场的 作用下，转子被磁化，吸
C
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，
使转子转动，使转、定子的齿对齐停止转动。
A B'
4 1 3
C'
2
C
B
A' A相通电，转子1、3齿和A相对齐。
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A、B相同时通电
A
B' C' B A'
（1）BB' 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针 方向转动。
C
（2）AA' 磁场继续对1、3齿有拉力。 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15°。
• 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）.
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发生器时，Q0.0或Q0.1作为普通输出端子使用。通常
在启动PTO或PWM操作之前，用复位R指令将Q0.0或Q0.1 清0。
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脉冲串输出（PTO）
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µs或ms为增量单位，变化范围分别 是10～65 535µs或2～65 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）。
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拍数：N=km
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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10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，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.8°，而用细分驱动 器工作在10细分状态时，电机只转动了0.18°。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。
四、基于PLC与步进电机的小车自动往返控制 项目一：步进电机正反转控制
用S7-200 PLC控制步进电机正转与反转。把步进电机驱动
器的D2设置为OFF，即PU为步进脉冲信号，DR为方向控制信号。PLC的
Q0.0输出高速脉冲至步进电机驱动器的PU端，Q0.1控制步进电机反转 。对应小车的运行各输出点分配如下： 正转启动，I0.0； 反转启动，I0.1； 向左运行，Q0.0发脉冲，Q0.1为OFF； 向右运行，Q0.0发脉冲，Q0.1为ON；
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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，
带动机械移动一小段距离。它的运动形式是步进式的。
特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变转动方向。 (4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比.
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2．PTO/PWM指令编程举例
//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
图7-15
PTO脉冲输出初始化子程序
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A B' C
A'
A
C'
B
B' C A'
C' B
AB通电
BC通电
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A
B' C
A'
C'
B
工作方式为三相双三拍 时 ，每通入一个电脉冲 ，转子也是转30，即 S = 30。
CA通电
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。
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B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15。
A
B'
C' B
A'
C
总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六 拍，步距角为15。
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三、三相双三拍 三相绕组的通电顺序为： AB BC CA AB 共三拍。
综合实训项目1-步进电机的PLC控制 脉 冲 分 配 器 放 大 器 步 进 机
负
载
脉冲信号
• 改变步Βιβλιοθήκη Baidu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
出的信号决定各定子绕组通电的顺序和步进电机转动的速 度。
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步进驱动器原理
停止，Q0.0停止发脉冲，Q0.1为OFF。
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综合实训项目1-步进电机的PLC控制 控制程序如图所示。
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任务描述
1. 2. 3. 4. 5. 完成步进电机、输入按钮与PLC的系统连接 编程实现步进电机的正向运转 用两个按钮，实现0.001S步进控制和1S步进控制 用两个开关，实现100步计数控制和10 步计数控制 用一个按钮实现步进的正反转控制
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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 2.能画出PLC控制系统的输入 输出接线图 3.能写出输入输出的I/O表 4.能完成梯形图程序的编制 5.能写入软件验证程序的正确 性并运行
1.步进电机的结构与原理 2.基本输入输出指令 3.定时器指令、计数指令 4.高级指令（移位指令MOV和数 据传送指令SFTL/SFTR）
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（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
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高速脉冲输出指令 1．指令格式及功能