步進運動控制 第5章 智能運動控制基礎(chǔ)課件

運動控制技術(shù)概述PLC運動控制器PLC的運動控制交流電機運動控制步進運動控制伺服運動控制目錄Contents運動控制技術(shù)概述PLC運動控制器PLC的運動控制交流電機運動控制步進運動控制伺服運動控制目錄Contents5.1認識步進電機第5章步進運動控制本節(jié)教學(xué)目標1.了解步進電機的工作原理。2.了解步進電機的類型與工作參數(shù)。步進電機1.步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的電動機，是開環(huán)控制元件。2.每接收到一個脈沖信號，步進電機的轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步。分單相交流電動機5.1認識步進電機第5章步進運動控制工作原理利用電磁學(xué)的電磁感應(yīng)原理，由纏繞在定子齒槽上的線圈將輸入的電能轉(zhuǎn)換為機械能，為轉(zhuǎn)子提供驅(qū)動力。步進電機的定子負責(zé)產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子負責(zé)跟隨磁場，定子線圈固定、轉(zhuǎn)子磁體旋轉(zhuǎn)。5.1認識步進電機第5章步進運動控制類型1.按勵磁方式分為PM（PermanentMagnet永磁型），VR（VariableReluctance反應(yīng)型）和HS（HybridStepping混合型）三種；2.按相數(shù)可分為單相、兩相、三相和多相等形式。目前所采用的步進電機中以兩相HS（混合型）步進電機為主。參數(shù)指標1.相數(shù)m：產(chǎn)生不同對電磁場的定子線圈對數(shù)。2.拍數(shù)n：步進電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，如四相步進電機的單四拍：A-B-C-D-A和雙四拍：AB-BC-CD-DA-AB，導(dǎo)電順序反向，則步進電機也反向轉(zhuǎn)動，如四相單四拍運行方式是D-C-B-A-D時，電機將反轉(zhuǎn)。。3.步距角θ

：一個脈沖信號，步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移，θ=360°/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J×運行拍數(shù)）。如：轉(zhuǎn)子為50齒的二相步進電機，四拍運行時步距角為θ=360°/（50×4）=1.8°，八拍運行時步距角為θ=360°/（50×8）=0.9°。5.2步進電機驅(qū)動器第5章步進運動控制本節(jié)教學(xué)目標1.了解步進電機驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)。2.熟悉步進電機驅(qū)動器的電氣連接方法3.了解步進驅(qū)動器細分的原理與設(shè)定。分單相交流電動機步進電機驅(qū)動器1.步進電機和步進電機驅(qū)動器一同構(gòu)成步進驅(qū)動系統(tǒng)。分單相交流電動機5.2步進電機驅(qū)動器第5章步進運動控制步進驅(qū)動系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)1.系統(tǒng)組成包括：PLC+步進驅(qū)動器+步進電機+電源+控制元件。2.步進電機驅(qū)動器通過環(huán)形分配器接收控制器發(fā)來的信號，包括脈沖信號（CP）、方向信號（DIR）和、脫機信號（FREE），再分配給功率放大器，來控制步進電機各相繞組的通電和斷電。3.脈沖信號的頻率控制步進電機的轉(zhuǎn)速。4.脈沖信號的個數(shù)控制步進電機的旋轉(zhuǎn)周數(shù)。5.2步進電機驅(qū)動器第5章步進運動控制步進驅(qū)動的細分原理1.步進電機通過驅(qū)動器的細分，能夠減小步距角，提高了運動控制精度。2.如右所示，從（1）→（2）→（3）→（4），線圈A、B的電流值連續(xù)變化，兩個線圈產(chǎn)生的合成電磁場是一個順時針旋轉(zhuǎn)且步距角22.5°的細分驅(qū)動電磁場。3.細分驅(qū)動的原理：按照細分算法，通過細分電路向線圈A、B輸出不同的電流值來控制相電流的大小，從而改變線圈產(chǎn)生的磁場強度，進而改變轉(zhuǎn)子的平衡位置。5.2步進電機驅(qū)動器第5章步進運動控制步進驅(qū)動器的細分功能步進電機驅(qū)動器一般具有撥動開關(guān)端子，通過幾個開關(guān)的不同組合方式來設(shè)置細分數(shù)值或工作電流的大小。5.3步進運動控制系統(tǒng)的電氣連接第5章步進運動控制本節(jié)教學(xué)目標1.掌握步進驅(qū)動器與步進電機的連接方法。2.掌握共陽極、共陰極連接方式。3.熟悉步進電機的不同引線方式。4.掌握步進驅(qū)動器與控制器的連接方法。5.3步進運動控制系統(tǒng)的電氣連接第5章步進運動控制共陰極型步進驅(qū)動器的電氣連接共陽極型步進驅(qū)動器的電氣連接5.3.1步進電機驅(qū)動器與步進電機的電氣連接第5章步進運動控制步進電機的引線1.步進電機內(nèi)部線圈在外部的引線一般是按照不同顏色來區(qū)分的，而且不同廠商對于引線的顏色也有不同的定義，如有些兩相四線制步進電機的引線顏色是紅、綠、黃、藍，有些則是紅、藍、黑、綠，因此使用時需確認A、B相對應(yīng)的引線，不能接錯相線。2.以兩相四線制步進電機為例，區(qū)分相線的辦法如下：（1）將任意兩根引線短接在一起，不需通電，然后轉(zhuǎn)動電機軸。（2）如果有較大的轉(zhuǎn)動阻力，則這兩根引線即為同相。（3）如果電機軸可輕松轉(zhuǎn)動，則這兩根引線是不同相的。3.圖中，紅色和綠色同為A相引線，將它們連接在一起時，電機軸轉(zhuǎn)動是有阻力的。紅色和黃色是不同相的引線，將它們連接在一起時，電機軸可以輕松轉(zhuǎn)動。5.3.1步進電機驅(qū)動器與步進電機的電氣連接第5章步進運動控制步進電機的引線與旋轉(zhuǎn)方向1.步進電機的引線與電機旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)。2.首先確認步進電機同相的引線與步進驅(qū)動器的連接端子連接無誤，如A+端子連接紅色引線、A-端子連接綠色引線，B+端子連接黃色引線、B-端子連接藍色引線。3.通過引線改變步進電機旋轉(zhuǎn)方向的方法：將連接A+、A-端子或B+、B-端子的引線對調(diào)，步進電機的旋轉(zhuǎn)方向即可更換方向。5.3.1步進電機驅(qū)動器與控制器的電氣連接第5章步進運動控制共陰極型驅(qū)動器（1）DC+、DC-：電源端子，連接DC24V電源正負極。（2）PUL+、PUL-：脈沖端子，PUL+連接PLC的高速脈沖輸出端子，接收PLC發(fā)出脈沖信號；PUL-連接DC-。（3）DIR+、DIR-：方向端子，DIR+連接PLC的輸出端子，接收PLC發(fā)出的電平信號；DIR-連接DC-。（4）ENA+、ENA-：使能端子，ENA+連接PLC的輸出端子，接收PLC發(fā)出的電平信號；ENA-連接DC-。一般該組端子可不接。5.3.1步進電機驅(qū)動器與控制器的電氣連接第5章步進運動控制共陽極型驅(qū)動器（1）公共端：輸入信號的公共端子，一般連接DC24V電源正極。（2）脈沖：脈沖端子，連接PLC的高速脈沖輸出端子，接收PLC發(fā)出脈沖信號，通過這組端子控制步進電機。（3）方向：方向端子，連接PLC的輸出端子，接收PLC發(fā)出的電平信號，控制步進電機的旋轉(zhuǎn)方向。（4）脫機：使能端子，連接PLC的輸出端子，接收PLC發(fā)出的電平信號，控制電機是否脫機。連接時電機脫機，即可以手動旋轉(zhuǎn)步進電機，同時脈沖信號無法控制步進電機。一般該組端子可不接。5.4步進運動控制系統(tǒng)案例第5章步進運動控制本節(jié)教學(xué)目標1.掌握步進運動控制系統(tǒng)的整體設(shè)計方法。2.掌握步進運動控制的常用指令。3.掌握步進運動控制系統(tǒng)的向?qū)ЫM態(tài)。分單相交流電動機案例知識點1.二相八線步進電機及其驅(qū)動器。2.PLC步進運動控制系統(tǒng)的電氣連接。3.多段管線PTO。4.滾珠絲桿導(dǎo)程。分單相交流電動機5.4.1案例1：自動往復(fù)傳送機構(gòu)5.4.1案例1：自動往復(fù)傳送機構(gòu)第5章步進運動控制任務(wù)要求設(shè)計一條步進控制運動機構(gòu)，用來自動傳送工件。功能要求：啟動按鈕按下后，傳送機構(gòu)通過步進運動控制系統(tǒng)自動地在兩個工位A、B間做高速往復(fù)運動，重復(fù)完成將工件原料由工位A運送至工位B的工序動作。停止按鈕按下時，機構(gòu)立刻停止運行。分單相交流電動機技術(shù)要求（1）工件外形尺寸：長方體，20mm×15mm。（2）上料方式：手動上料，無需設(shè)計。（3）傳送方式：采用滾珠絲桿傳動方式，在兩個不同工位A、B之間往復(fù)運行。（4）控制系統(tǒng)：采用PLC+步進驅(qū)動系統(tǒng)。（5）控制模式：手動啟停，運動過程全自動。（6）定位精度：工位定位誤差不超過1mm。5.4.1案例1：自動往復(fù)傳送機構(gòu)第5章步進運動控制系統(tǒng)方案設(shè)計1.本案例采用PLC、滾珠絲桿傳送機構(gòu)、步進電機驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)工作臺的定位控制，達到工作臺往復(fù)運動的功能。2.根據(jù)技術(shù)要求，完成設(shè)備選型。3.雷賽M542步進驅(qū)動器：輸出電流1.00A至4.20A；細分16檔從400～25000。名稱型號規(guī)格說明PLC主機西門子SMARTST30晶體管輸出100kHz步進電機雷賽57HS09額定電流2.8A、步距角1.8度步進驅(qū)動器雷賽M542二相步進電機驅(qū)動器限位開關(guān)歐姆龍V-155-1C25滾珠絲桿限位滾珠絲杠模組NSK導(dǎo)程10mm5.4.1案例1：自動往復(fù)傳送機構(gòu)第5章步進運動控制滾珠絲桿1.滾珠絲杠是常用的機械傳送機構(gòu)，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動。2.螺距是絲杠上螺母轉(zhuǎn)一圈所行走的直線距離，一般有5mm，10mm，20mm等。3.運動控制系統(tǒng)主要關(guān)注滾珠絲桿的導(dǎo)程，即同一螺旋線上相鄰兩牙在中徑圓柱面的母線上的對應(yīng)兩點間的軸向距離。4.導(dǎo)程與直線速度有關(guān)，在輸入轉(zhuǎn)速一定的情況下，導(dǎo)程越大速度越快。運動控制系統(tǒng)中，導(dǎo)程優(yōu)先選擇5和10。5.4.1案例1：自動往復(fù)傳送機構(gòu)第5章步進運動控制設(shè)計系統(tǒng)的電氣控制連接和I/O配置序號I/O地址I/O類型說明1I0.0DI工作臺原點限位開關(guān)2I0.1DI工作臺左極限限位開關(guān)3I0.2DI工作臺右極限限位開關(guān)4I0.3DI啟動按鈕5I0.4DI停止按鈕6I0.5DI回零按鈕7Q0.0DO步進脈沖信號8Q0.1DO步進方向信號9M0.0中間寄存器復(fù)位開始10M0.1中間寄存器復(fù)位回右限位11M0.2中間寄存器復(fù)位回原點序號I/O地址I/O類型說明12M0.3中間寄存器等待啟動13M0.4中間寄存器從原點到左工位14M0.5中間寄存器到達左工位15M0.6中間寄存器從左工位到右工位16M0.7中間寄存器到達右工位17M1.0中間寄存器從右工位到左工位18M1.1中間寄存器往復(fù)動作完成1次19M1.2中間寄存器啟動步進電機20T40定時器復(fù)位前延時2s21T37定時器左工位延時22T38定時器右工位延時5.4.1案例1：自動往復(fù)傳送機構(gòu)第5章步進運動控制設(shè)置步進驅(qū)動系統(tǒng)1.本案例選用的是雷賽57HS09兩相八線制步進電機。2.本案例中，工作臺需要的是低速精確定位，因此選擇串聯(lián)方式連接驅(qū)動器與步進電機。3.根據(jù)所選用的滾珠絲杠導(dǎo)程以及技術(shù)要求的控制精度，選取步進電機的運行參數(shù)為：4000步/轉(zhuǎn)，工作電流1.69A，通過撥碼進行設(shè)置。相數(shù)步距角（°）保持轉(zhuǎn)矩N·M額定電流A引線數(shù)電機重量Kg機身長mm21.80.92.880.656接法驅(qū)動器接線端電機引線適用場合串聯(lián)A+A1藍低速A-C1綠B+B1棕B-D1白懸空A2紅-C2黃（相連）懸空B2黑-D2橙（相連）并聯(lián)A+A1藍-C2黃高速A-A2紅-C1綠B+B1棕-D2橙B-B2黑-D1白SW1SW2SW3SW4SW5SW6SW7SW8offoffonoffonoffonoff5.4.1案例1：自動往復(fù)傳送機構(gòu)第5章步進運動控制設(shè)置多段管線PTO1.本案例采用3段管線包絡(luò)曲線，包括加速段、恒速段和減速段。

①段1：加速段，啟動頻率2000Hz，輸出脈沖200個。

②段2：恒速段，運行頻率10000Hz，輸出脈沖個數(shù)由程序設(shè)定。

③段3：減速段，停止頻率200Hz，輸出脈沖200個。2.SMART從V存儲器的包絡(luò)表中自動讀取每個脈沖串段的數(shù)據(jù)，每段PTO的數(shù)據(jù)都包括了：32位起始頻率、32位結(jié)束頻率和32位脈沖計數(shù)值。包絡(luò)表地址數(shù)值說明段VB03總段數(shù)

VD12000起始頻率（Hz）段1VD510000結(jié)束頻率（Hz）VD9200脈沖數(shù)VD1310000起始頻率（Hz）段2VD1710000結(jié)束頻率（Hz）VD2180000（程序設(shè)定，可變）脈沖數(shù)VD2510000起始頻率（Hz）段3VD292000結(jié)束頻率（Hz）VD33200脈沖數(shù)5.4.1案例1：自動往復(fù)傳送機構(gòu)第5章步進運動控制設(shè)計控制程序1.程序由主程序Main、子程序SBR0、SBR1、SBR2組成。主程序編寫運動邏輯程序，控制工作臺全自動的往復(fù)運動，確保達到技術(shù)要求的運動規(guī)則和運動精度。通過初始化子程序SBR0設(shè)定多段管線的參數(shù)值，通過PTO運行子程序SBR1輸出包絡(luò)脈沖，通過停止子程序SBR2停止電機運動。主程序5.4.1案例1：自動往復(fù)傳送機構(gòu)第5章步進運動控制設(shè)計控制程序5.4.1案例1：自動往復(fù)傳送機構(gòu)第5章步進運動控制設(shè)計控制程序PTO初始化子程序SBR05.4.1案例1：自動往復(fù)傳送機構(gòu)第5章步進運動控制設(shè)計控制程序PTO運行子程序SBR1PTOT停止子程序SBR25.4.2案例2：定長切割裝置第5章步進運動控制案例知識點1.步進控制的運動軸組態(tài)。2.步進控制的運動軸子例程。分單相交流電動機任務(wù)要求設(shè)計一條物料定長切割裝置，實現(xiàn)物料自動運輸、自動切割。功能要求：啟動按鈕按下時，傳送帶開始傳送原料，傳送x米后暫停，切割機構(gòu)將原料快速切斷，切割完成后，傳送帶繼續(xù)傳送原料，重復(fù)每x米切割一次原料的動作。停止按鈕按下時，機器會完成當(dāng)前操作后停止。急停按鈕按下時，機器中止所有運動并立即停止。5.4.2案例2：定長切割裝置第5章步進運動控制系統(tǒng)方案設(shè)計及設(shè)備選型根據(jù)要求：1.定長操作采用步進驅(qū)動系統(tǒng)控制皮帶線傳送機構(gòu)，實現(xiàn)原料直線運動距離的精確控制；2.切割操作采用氣動元件驅(qū)動切割機構(gòu)，動作快速且具有足夠切力，實現(xiàn)刀具垂直動作切斷原料。分單相交流電動機名稱型號規(guī)格說明PLC主機西門子SMARTST30晶體管輸出100kHz步進電機雷賽57HS22額定電流5A、步距角1.8度步進驅(qū)動器雷賽M545D二相步進電機驅(qū)動器氣缸組件SMCJMGP-M-100薄型導(dǎo)桿氣缸5.4.2案例2：定長切割裝置第5章步進運動控制運動向?qū)渲脜⒖急緯?章3.5節(jié)的運動控制組態(tài)步驟。分單相交流電動機5.4.2案例2：定長切割裝置第5章步進運動控制運動向?qū)渲脜⒖急緯?章3.5節(jié)的運動控制組態(tài)步驟。分單相交流電動機5.4.2案例2：定長切割裝置第5章步進運動控制I/O配置-設(shè)計程序根據(jù)案例要求與運動控制向?qū)У脑O(shè)置，配置PLC的輸入輸出點。設(shè)計控制程序。單相交流電動機序號I/O地址I/O類型說明1I0.0D