試驗(yàn)五 步進(jìn)電機(jī)單軸定位控制試驗(yàn)

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一、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.學(xué)習(xí)和把握步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的操作和使用方法；2.學(xué)習(xí)和把握步進(jìn)電機(jī)單軸定位控制方法；3．學(xué)習(xí)和把握PLC單軸定位模塊的基本使用方法。

二、試驗(yàn)原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移量的機(jī)電執(zhí)行元件，即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸入的是電脈沖信號(hào)，輸出的是角位移或直線位置。每給一個(gè)脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，這個(gè)角度稱為步距角。運(yùn)動(dòng)速度正比于脈沖頻率，角位移正比于脈沖個(gè)數(shù)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)典型控制系統(tǒng)框圖如圖1-2-9所示。

位置控制單元步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器圖1-2-9步進(jìn)電動(dòng)機(jī)典型控制系統(tǒng)框圖

位置控制單元可根據(jù)需要的頻率和個(gè)數(shù)以及設(shè)定的加減時(shí)間控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此定位單元的輸出脈沖形式有“脈沖＋方向〞和“正脈沖＋負(fù)脈沖〞兩種，它們均可控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。輸出脈沖形式通過(guò)參數(shù)設(shè)定來(lái)選擇。其脈沖形式如圖1-2-10所示。

(b)正脈沖＋負(fù)脈沖

正向脈沖正轉(zhuǎn)反向脈沖反轉(zhuǎn)(a)脈沖＋方向

脈沖信號(hào)方向信號(hào)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

圖1-2-10定位模塊的兩種輸出脈沖形式

由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁慣性和所驅(qū)動(dòng)負(fù)載的機(jī)械慣性，速度不能突變，因此定位模塊要控制升降頻過(guò)程。步進(jìn)電機(jī)升、降頻過(guò)程如圖1-2-11。一般狀況下，S2＝S3。

頻率（HZ）f1

S1圖1-2-11步進(jìn)電機(jī)升、降頻示意圖

其中：f1——設(shè)定的運(yùn)行頻率，應(yīng)小于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高頻率；

S1——設(shè)定的總脈沖個(gè)數(shù)；

S2——升頻過(guò)程中脈沖個(gè)數(shù)，由加速時(shí)間和運(yùn)行頻率確定；S3——降頻過(guò)程中脈沖個(gè)數(shù)，由減速時(shí)間和運(yùn)行頻率確定。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器將位置定位模塊的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)行分派并放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相繞組，依次通電而旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)器也可接受兩種不同形式的脈沖信號(hào)，通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)選擇，定位模塊和驅(qū)動(dòng)器的脈沖形式要一致。另外，為了提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的低頻性能，驅(qū)動(dòng)器一般具有細(xì)分功能，多個(gè)脈沖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，細(xì)分系數(shù)一般為1、2、4、8、16、32等幾種，通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)定。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部件。

脈沖數(shù)（PLS）

S2S3

圖1-2-12試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

位置定位模塊、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器種類好多，本試驗(yàn)中采用的是三菱FX2N系列PLC中的雙軸定位模塊FX2N-20GM，該模塊與PLC相連，可以單獨(dú)或同時(shí)控制兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器為和利時(shí)產(chǎn)品。試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2-12所示。

工作原理：PLC及20GM實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的通電控制和定位控制，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)絲桿帶動(dòng)工作臺(tái)做直線運(yùn)動(dòng)。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步機(jī)械實(shí)際移動(dòng)的位移量稱為脈沖當(dāng)量，脈沖當(dāng)量是數(shù)控系統(tǒng)中很重要的參數(shù)。試驗(yàn)系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲桿直接連接，因此，脈沖當(dāng)量的計(jì)算公式為：

脈沖當(dāng)量＝絲桿螺距/｛3600/（步距角×細(xì)分系數(shù)）｝

在試驗(yàn)系統(tǒng)中，絲桿的螺距為5mm，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為1.80，細(xì)分系數(shù)為所設(shè)定的數(shù)據(jù)。

正限位和負(fù)限位開(kāi)關(guān)的安裝位置由絲桿的導(dǎo)程確定，保證絲桿不被損壞，即當(dāng)這兩個(gè)開(kāi)關(guān)的位置確定后，定位模塊保證工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)只能在這兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)之間進(jìn)行。

原位開(kāi)關(guān)用來(lái)確定機(jī)械坐標(biāo)原點(diǎn)的位置。位置控制模塊回原點(diǎn)操作，就是使機(jī)械原點(diǎn)和電氣原點(diǎn)統(tǒng)一。

三、試驗(yàn)內(nèi)容及步驟

(一)系統(tǒng)通電和準(zhǔn)備

1．在斷電的狀況下，按圖1-2-13接線（虛線框外的連線已接好）；2．征得老師同意后，合上斷路器QF1和QF2；

3．將編程電纜連于PLC上，利用PC機(jī)上的編程軟件“FXGP/WIN-C〞向PLC輸入PLC控制程序（此時(shí)，PLC處于中止運(yùn)行狀態(tài)）；

4．將編程電纜連于20GM上，利用PC機(jī)上的定位軟件“FXVPS-E〞向20GM輸入定位程序（此時(shí)，20GM的狀態(tài)開(kāi)關(guān)拔向手動(dòng)位置“MANU〞）；

5．將PLC設(shè)置為運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行PLC，Y30輸出1，KA1得電，接觸器KM2的主觸頭閉合，驅(qū)動(dòng)器SH-20403得電；

6．將20GM的狀態(tài)開(kāi)關(guān)拔向自動(dòng)位置“AUTO〞，運(yùn)行20GM；

7．按“復(fù)位〞按鈕，X軸原位，此時(shí)的位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，記錄下來(lái)該位置A。（二）基本定位

1．設(shè)定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分系數(shù)為8（試驗(yàn)中以按該系數(shù)進(jìn)行了脈沖當(dāng)量的計(jì)算和設(shè)定）；2．設(shè)定相對(duì)于A點(diǎn)的目標(biāo)位置（單位為mm，正值在A點(diǎn)的右邊，負(fù)值在A點(diǎn)的左邊）和運(yùn)動(dòng)速度（單位為cm/min），把它們用參數(shù)設(shè)定的方法分別輸入到位置量寄放器D2（實(shí)

驗(yàn)程序定義）和速度寄放器D4（試驗(yàn)程序定義）中；

3．按“啟動(dòng)〞按鈕，X軸以設(shè)定的速度運(yùn)動(dòng)到指定的位置B，觀測(cè)運(yùn)動(dòng)速度，運(yùn)動(dòng)終止后，測(cè)量A到B之間的距離，與設(shè)定位置比較；

4．重新設(shè)定目標(biāo)位置和運(yùn)動(dòng)速度，重復(fù)3；5．設(shè)定目標(biāo)位置為0，讓工作臺(tái)回到A點(diǎn)。（三）細(xì)分

1．使細(xì)分系數(shù)不為8；2．設(shè)定位置值和運(yùn)動(dòng)速度；

3．按“啟動(dòng)〞按鈕，X軸以設(shè)定的速度運(yùn)動(dòng)到指定的位置B，觀測(cè)運(yùn)動(dòng)速度，運(yùn)動(dòng)終止后，測(cè)量A到B之間的距離，與設(shè)定位置比較；

4．設(shè)定目標(biāo)位置為0，讓工作臺(tái)回到A點(diǎn)。（四）頻率特性試驗(yàn)

1．設(shè)定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分系數(shù)為1，輸入20GM的步進(jìn)特性試驗(yàn)程序；

2．當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率大于最高運(yùn)行頻率時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)遇失步，影響定位精度，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)工作在最大運(yùn)行頻率以下。試驗(yàn)中所使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大運(yùn)行頻率大約為1KHz，計(jì)算出運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的最高運(yùn)動(dòng)速度；

3．設(shè)定位置值和運(yùn)行速度，并使運(yùn)行速度大于最高運(yùn)動(dòng)速度；

4．按“啟動(dòng)〞按鈕，觀測(cè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)想象，運(yùn)動(dòng)終止后測(cè)量運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位置；5．步進(jìn)電機(jī)在較低的頻率下運(yùn)行時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)振動(dòng)，從而引起機(jī)械振動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)應(yīng)避免在振動(dòng)頻率下運(yùn)行。試驗(yàn)中所用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率大約為200脈沖/S以下，計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)速度；

6．設(shè)定位置值和運(yùn)行速度，并使運(yùn)行速度在振蕩速度區(qū)間；7．重復(fù)4；

圖1-2-13控制系統(tǒng)接線圖

四、試驗(yàn)說(shuō)明及本卷須知

1．A點(diǎn)一定通過(guò)回原點(diǎn)得到；

2．系統(tǒng)中坐標(biāo)為相對(duì)坐標(biāo)，因此運(yùn)動(dòng)前后的位置值要不同，工作臺(tái)才有移動(dòng)；3．回原位后，測(cè)量一下A點(diǎn)到左邊行程開(kāi)關(guān)之間的距離（負(fù)向位置最大值）和A點(diǎn)到右邊行程開(kāi)關(guān)的距離（正向位置最大值）；

4．位置值設(shè)定為正時(shí)要小于正向位置最大值，位置值設(shè)定為負(fù)時(shí)要小于負(fù)向位置最大值。

五、試驗(yàn)用儀器工具

PC機(jī)1臺(tái)PLC1臺(tái)20GM1個(gè)RS232電纜線1根編程電纜