電氣控制與S7-1200 PLC應(yīng)用教程 課件 項目15：步進電機驅(qū)動的工作臺PLC控制系統(tǒng)設(shè)計安裝與調(diào)試

項目導(dǎo)入工業(yè)機器人中經(jīng)常用步進電機來控制機械臂的移動位置和移動速度，如何通過PLC實現(xiàn)其精確控制？項目15：步進電機驅(qū)動的工作臺PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試PLC通過控制步進電機實現(xiàn)工作臺移動步進電機驅(qū)動的工作臺實驗器材項目預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)

知識目標(biāo)：能夠理解高速脈沖輸出指令與運動控制指令的功能。能夠理解軸的概念。

技能目標(biāo)：能夠使用軸運動控制指令進行步進電機驅(qū)動控制。能夠利用PLC設(shè)備進行程序調(diào)試。

素質(zhì)目標(biāo)：文明、守時、安全、衛(wèi)生。任務(wù)一步進電機與驅(qū)動器認(rèn)知任務(wù)二高速脈沖與運動控制指令認(rèn)知任務(wù)四步進驅(qū)動的工作臺PLC控制調(diào)試任務(wù)總覽任務(wù)三步進電機PLC控制設(shè)計與調(diào)試任務(wù)一步進電機與驅(qū)動器認(rèn)知1.步進電動機定義步進電動機是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的控制電機，常作為數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。一般電動機是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而步進電機的轉(zhuǎn)動是一步一步進行的。每輸入一個脈沖電信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度。通過改變脈沖頻率和數(shù)量，即可實現(xiàn)調(diào)速和控制轉(zhuǎn)動的角位移大小，具有較高的定位精度，其最小步距角可達(dá)0.75°。步進電機作為執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用在各種家電產(chǎn)品中，如打印機、雨刷、機械手臂和錄像機等。另外步進電機也廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動化系統(tǒng)中。通過控制脈沖個數(shù)可以很方便的控制步進電機轉(zhuǎn)過的角位移，且步進電機的誤差不積累，可以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。還可以通過控制頻率很方便的改變步進電機的轉(zhuǎn)速和加速度，達(dá)到任意調(diào)速的目的，因此步進電機可以廣泛的應(yīng)用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)中。步進電機的分類（1）反應(yīng)式步進電機：轉(zhuǎn)子為軟磁材料，無繞組，定、轉(zhuǎn)子開小齒、步距角小；

（2）永磁式步進電機：轉(zhuǎn)子為永磁材料，轉(zhuǎn)子的極數(shù)=每相定子極數(shù)，不開小齒，步距角較大，力矩較大；（3）混合式步進電機：轉(zhuǎn)子為永磁式、兩段，開小齒，轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)性能好、步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。2.步進電機的分類、基本結(jié)構(gòu)和工作原理步進電機的基本結(jié)構(gòu)定子轉(zhuǎn)子定子繞組步進電動機結(jié)構(gòu)簡圖原理：步進電機是利用電磁鐵原理,將脈沖信號

轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉(zhuǎn)動一個角度，帶動機械移動一小段距離。特點：(1)來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉(zhuǎn)速。

(3)改變脈沖順序，改變轉(zhuǎn)動方向。

(4)角位移量或線位移量與電脈沖數(shù)成正比.3.驅(qū)動控制器步進電動機的驅(qū)動電源主要由脈沖發(fā)生器（單片機、PLC或?qū)ｉT的硬件電路）、環(huán)形脈沖分配器和脈沖放大器（也稱功率放大器）三部分組成。

任務(wù)二高速脈沖輸出與運動控制指令認(rèn)知S7-1200PLC可以通過特定的數(shù)字量輸出端子輸出高速脈沖序列，用于驅(qū)動步進電機、伺服電機等負(fù)載實現(xiàn)精確控制，該方式廣泛應(yīng)用在運動控制中。高速脈沖輸出有兩種方式：PWM（Pulse-WidthModulation.寬度可調(diào)的脈沖輸出）和PTO（Pulse-TrainOutput,脈沖序列輸出）。PWM可以提供一串周期固定、脈寬（占空比）可調(diào)的脈沖輸出，PTO可以提供一串占空比固定50%、周期可調(diào)的脈沖輸出?？蓪LC每個高速脈沖輸出端指定為PWM或PTO，但不能同時指定為PWM和PTO。

每個PLC的CPU最多可組態(tài)4路PTO/PWM發(fā)生器，可使用CPU本機或信號板中的數(shù)字量輸出端子輸出PTO或PWM脈沖。PTO輸出占用2個輸出點（脈沖和方向）;PWM脈沖占用1個輸出點（脈沖），另一個未用的輸出點可用作其他功能。被組態(tài)為PTO/PWM的輸出點不能再作為普通端子使用。高速脈沖輸出功能：PTO/PWM默認(rèn)組態(tài)的輸出地址如下表所示，實際地址可以根據(jù)需要進行修改。1.高速脈沖輸出指令PTO類型脈沖方向最大頻率(kHz)PWM類型脈沖最小周期(us)PTO1CPU輸出Q0.0Q0.1100PWM1CPU輸出Q0.010SB輸出Q4.0Q4.1200SB輸出Q4.05PTO2CPU輸出Q0.2Q0.3100PWM2CPU輸出Q0.210SB輸出Q4.2Q4.3200SB輸出Q4.25PTO3CPU輸出Q0.4Q0.520PWM3CPU輸出Q0.450SB輸出Q4.0Q4.1200SB輸出Q4.15PTO4CPU輸出Q0.6Q0.720PWM4CPU輸出Q0.650SB輸出Q4.2Q4.3200SB輸出Q4.35高速脈沖輸出指令：

1.高速脈沖輸出指令高速脈沖輸出指令應(yīng)用實例：

1.高速脈沖輸出指令S7-1200PLC采用軸的概念進行運動控制，通過對軸參數(shù)的組態(tài)（硬件接口、驅(qū)動器信號、機械特性、位置限制及動態(tài)參數(shù)等），并與對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)指令配合使用，可以實現(xiàn)絕對位置、相對位置、點動、轉(zhuǎn)速控制及自動尋找參考點等功能。2.運動控制

運動控制根據(jù)連接驅(qū)動方式不同，分成三種控制方式：1）PROFIdrive：S7-1200PLC通過基于PROFIBUS/PROFINET的PROFIdrive方式與支持PROFIdrive的驅(qū)動器連接，進行運動控制。2）PTO：S7-1200PLC通過發(fā)送PTO脈沖的方式控制驅(qū)動器，可以是脈沖+方向、A/B正交、也可以是正/反脈沖的方式。3）模擬量：S7-1200PLC通過輸出模擬量來控制驅(qū)動器。PTO控制方式是所有版本的S7-1200CPU都支持的控制方式，該控制方式屬于開環(huán)控制，由CPU向軸驅(qū)動器發(fā)送高速脈沖以及方向信號來控制軸的運行。2.運動控制指令

啟動/禁用軸指令錯誤確認(rèn)指令2.運動控制

回原點指令停止軸運行指令2.運動控制

絕對位置指令相對位置指令2.運動控制

點動指令速度運行指令2.運動控制

按運動順序運行軸指令更改軸動態(tài)參數(shù)指令2.運動控制（1）啟動/禁用軸指令說明指令名稱：啟動/禁用軸。功能：使能軸或禁用軸。使用要點：在程序里一直調(diào)用，并且在其他運動控制指令之前調(diào)用并使能。輸入端：

①EN：該輸入端是MC_Power指令的使能端，不是軸的使能端。②Axis：軸名稱③Enable：軸使能端Enable=0：根據(jù)組態(tài)的“StopMode”中斷當(dāng)前所有作業(yè)。停止并禁用軸。Enable=1：如果組態(tài)了軸的驅(qū)動信號，則Enable=1時將接通驅(qū)動器的電源。④StopMode：軸停止模式StopMode=0：緊急停止StopMode=1：立即停止StopMode=2：帶有加速度變化率控制的緊急停止。2.運動控制啟動/禁用軸指令說明輸出端：

⑤ENO：使能輸出

⑥Status：軸的使能狀態(tài)

⑦Busy：標(biāo)記MC_Power指令是否處于活動狀態(tài)

⑧Error：標(biāo)記MC_Power指令是否產(chǎn)生錯誤

⑨ErrorID：當(dāng)MC_Power指令產(chǎn)生錯誤時，用ErrorID表示錯誤號。

⑩ErrorInfo：當(dāng)MC_Power指令產(chǎn)生錯誤時，用ErrorInfo表示錯誤信息。2.運動控制（2）回原點指令說明指令名稱：回原點指令功能：使軸歸位，設(shè)置參考點，用來將軸坐標(biāo)與實際的物理驅(qū)動器位置進行匹配。使用要點：軸做絕對位置定位前一定要觸發(fā)MC_Home指令。輸入端：

①EN：該輸入端是MC_Home指令的使能端。②Axis：軸名稱③Execute：指令的啟動位，用上升沿觸發(fā)。④Position：位置值Mode=1時：對當(dāng)前軸位置的修正值Mode=0,2,3時：軸的絕對位置值⑤Mode：回原點模式值Mode=0：

絕對式直接回零點，軸的位置值為參數(shù)“Position”的值Mode=1：

相對式直接回零點，軸的位置值等于當(dāng)前軸位置+參數(shù)“Position”的值Mode=2：

被動回零點，軸的位置值為參數(shù)“Position”的值Mode=3：

主動回零點，軸的位置值為參數(shù)“Position”的值Mode=6：絕對編碼器相對調(diào)節(jié)，將當(dāng)前的軸位置設(shè)定為當(dāng)前位置+參數(shù)“Position”的值Mode=7：絕對編碼器絕對調(diào)節(jié)，將當(dāng)前的軸位置設(shè)置為參數(shù)“Position”的值2.運動控制（3）點動指令說明指令名稱：點動指令功能：在點動模式下以指定的速度連續(xù)移動軸。使用技巧：正向點動和反向點動不能同時觸發(fā)。輸入端：

①EN：該輸入端是MC_MoveJog指令的使能端。②Axis：軸名稱③JogForward：正向點動，不是用上升沿觸發(fā)，JogForward為1時，軸運行；JogForward為0時，軸停止。類似于按鈕功能，按下按鈕，軸就運行，松開按鈕，軸停止運行。

④JogBackward：反向點動，使用方法參考JogForward。⑤Velocity：點動速度設(shè)定。2.運動控制（4）速度運行指令說明指令名稱：速度運行指令功能：使軸以預(yù)設(shè)的速度運行輸入端：

①EN：該輸入端是MC_MoveVelocity指令的使能端。②Axis：軸名稱③Execute：指令的啟動位，用上升沿觸發(fā)。④Velocity：軸的速度。

⑤Direction：方向數(shù)值Direction=0：旋轉(zhuǎn)方向取決于參數(shù)“Velocity”值的符號Direction=1：正方向旋轉(zhuǎn)，忽略參數(shù)“Velocity”值的符號Direction=2：負(fù)方向旋轉(zhuǎn)，忽略參數(shù)“Velocity”值的符號⑥Current：Current=0：軸按照參數(shù)“Velocity”和“Direction”值運行Current=1：軸忽略參數(shù)“Velocity”和“Direction”值，軸以當(dāng)前速度運行。2.運動控制任務(wù)三步進電機PLC控制調(diào)試控制要求：采用軸控制面板對步進電機進行運動控制調(diào)試，包括點動控制、速度調(diào)節(jié)控制、回原點、定位控制等。1.按照PLC的硬件接線圖接線驅(qū)動器步進電機步進電機驅(qū)動器接線方法(ENA使能端一般不接）2.用撥碼開關(guān)設(shè)置脈沖與電流（1）啟動博圖TIA編程軟件，創(chuàng)建新項目14，打開設(shè)備組態(tài)窗口，添加PLC_1[CPU1214CDC/DC/DC]。（2）單擊項目樹PLC文件夾下的“工藝對象”左邊箭頭，展開“工藝對象”目錄。在“新增對象”中添加新對象名稱“軸_1”，然后在“名稱”下“TO_PositioningAxis”位置運動，單擊“確定”按鈕，如圖所示。3.組態(tài)工藝對象軸（3）依次打開項目樹中PLC_1下“工藝對象”→“軸_1”→“組態(tài)”，如圖所示。雙擊“組態(tài)”對象，按下列順序為“軸_1”進行組態(tài)雙擊“組態(tài)”(Configuration)對象，按下列順序為軸_1進行組態(tài)。第一步：選擇基本參數(shù)中”常規(guī)”選項，設(shè)置如圖所示。第二步：選擇常規(guī)參數(shù)下的”驅(qū)動器”，設(shè)置如圖所示。第三步：選擇擴展參數(shù)下的”機械”，設(shè)置如圖所示。設(shè)置電機每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)為400，電機每轉(zhuǎn)的負(fù)載位移為4.0。這里所設(shè)置的電機每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)和負(fù)載位移量需要跟實際的工作滑臺滾珠絲杠相匹配。第四步：選擇擴展參數(shù)下的“位置限制”。此處接受默認(rèn)選項即可。第五步：組態(tài)動態(tài)下的“常規(guī)”參數(shù)設(shè)置，此處接受默認(rèn)選項即可。第六步：對動態(tài)中“急?！边M行設(shè)置，如圖所示。將急停減速時間設(shè)置為0.1s。第七步：對回原點的“主動”選項進行設(shè)置。此處接受默認(rèn)選項即可。5.實物運行調(diào)試當(dāng)程序下載完成后，在界面標(biāo)題欄中點中“轉(zhuǎn)至在線”，用戶就雙擊選擇“工藝對象”中“軸_1”下的“調(diào)試”選項，使用軸控制面板來調(diào)試步進電機及驅(qū)動器，以測試軸的實際運行功能。在軸控制面板中，選擇“主控制：”后的“激活”按鈕，在彈出的提示窗口按“確定”按鈕。在安全提示后，調(diào)試窗口中“軸：”后面的“啟用”按鈕激活。用戶可以直接單擊“啟用”。此時就會出現(xiàn)所有的命令和狀態(tài)信息都是可見的，而不是灰色的。用戶可在“命令”后面的選擇項中分別選擇“點動”“速度設(shè)定值”“定位”和“回原點”進行調(diào)試。任務(wù)四基于PLC的步進電機控制調(diào)試控制要求：工作臺由步進電機帶動滾珠絲杠進行傳動。當(dāng)按下按鈕SB1時，工作臺回原點；按下按鈕SB2，步進電機啟動并正轉(zhuǎn)，工作臺前進，抬起按鈕SB2，步進電機停止運動，實現(xiàn)正向點動控制；當(dāng)按下按鈕SB3，步進電機啟動并反轉(zhuǎn)，工作臺后退，當(dāng)抬起按鈕SB3，步進電機停止運動，實現(xiàn)反向點動。當(dāng)按下按鈕SB4時，可調(diào)節(jié)工作臺的移動速度（20mm/s)。當(dāng)工作臺位置超出左右限位時，步進電機停止運行。連接的外部設(shè)備功能說明PLC點名稱SB1回原點按鈕I0.0SB2正向點動按鈕I0.1SB3反向點動按鈕I0.2SB4速度控制按鈕I0.3SQ1原點行程開關(guān)I1.1SQ2左限位行程開關(guān)I1.0SQ3右限位行程開關(guān)I1.2軸1脈沖輸出Q0.0軸1方向輸出Q0.11.確定與分配輸入輸出信號2.繪制PLC的硬件接線圖（實驗臺PLC控制）傳感器紅色線接24V電源正極，黑色線接0V，黃色線接PLC輸入端口。3.實物連接42步進電機，42是指直徑42mm的步進電機。步進電機驅(qū)動器接線方式說明4.用撥碼開關(guān)設(shè)置脈沖與電流（1）啟動博圖TIA編程軟件，創(chuàng)建新項目14，打開設(shè)備組態(tài)窗口，添加PLC_1[CPU1214CDC/DC/DC]。（2）單擊項目樹PLC文件夾下的“工藝對象”左邊箭頭，展開“工藝對象”目錄。在“新增對象”中添加新對象名稱“軸_1”，然后在“名稱”下“TO_PositioningAxis”位置運動，單擊“確定”按鈕，如圖所示。5.組態(tài)工藝對象軸（3）依次打開項目樹中PLC_1下“工藝對象”→“軸_1”→“組態(tài)”，如圖所示。雙擊“組態(tài)”對象，按下列順序為“軸_1”進行組態(tài)雙擊“組態(tài)”(Configuration)對象，按下圖順序為軸_1進行組態(tài)。第一步：選擇基本參數(shù)中”常規(guī)”選項，設(shè)置如圖所示。第二步：選擇常規(guī)參數(shù)下的”驅(qū)動器”，設(shè)置如圖所示。第三步：選擇擴展參數(shù)下的”機械”，設(shè)置如圖所示。設(shè)置電機每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)為4