基于PLC的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)電工程系基于PLC的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師：莫改革姓名：陳星，李牧奇，趙鵬偉，劉凡(2023年8月8日)目錄一、步進(jìn)電機(jī)工作原理11.步進(jìn)電機(jī)簡介12.步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)原理及結(jié)構(gòu)13.旋轉(zhuǎn)14.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特征21)運(yùn)轉(zhuǎn)需要的三要素：控制器、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)22)運(yùn)轉(zhuǎn)量與脈沖數(shù)的比例關(guān)系23)運(yùn)轉(zhuǎn)速度與脈沖速度的比例關(guān)系3二、西門子S7-200CPU224XPCN3三、三相異步電動(dòng)機(jī)DF3A驅(qū)動(dòng)器31.產(chǎn)品特點(diǎn)32.主要技術(shù)參數(shù)3四、PLC與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口原理圖5五、PLC控制實(shí)例的流程圖及梯形圖61.控制要求62.流程圖63.梯形圖7六、參考文獻(xiàn)9七、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)9基于PLC的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)簡介步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度〔及步進(jìn)角〕?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而到達(dá)準(zhǔn)確定位的目的；也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而到達(dá)調(diào)速的目的。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號，電機(jī)那么轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)原理及結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。0、1/3て、2/3て,即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3て，C與齒3向右錯(cuò)開2/3て，A'與齒5相對齊，〔A'就是A，齒5就是齒1〕旋轉(zhuǎn)如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場作用，齒1與A對齊，〔轉(zhuǎn)子不受任何力，以下均同〕。如B相通電，A，C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時(shí)齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移〔て-1/3て〕=2/3て。如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，此時(shí)齒4與A偏移為1/3て對齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4〔即齒1前一齒〕移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機(jī)就每步〔每脈沖〕1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)〔脈沖數(shù)〕和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語拍數(shù)：完成一個(gè)磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對應(yīng)一個(gè)脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度〔轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù)〕，以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/〔50*4〕=1.8度〔俗稱整步〕，八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/〔50*8〕=0.9度〔俗稱半步〕。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特征運(yùn)轉(zhuǎn)需要的三要素：控制器、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)②②驅(qū)動(dòng)器③步進(jìn)電機(jī)提供電力脈沖信號①控制器以上三局部是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必不可少的三局部?？刂破饔纸忻}沖產(chǎn)生器，目前主要有PLC、單片機(jī)、運(yùn)動(dòng)板卡等等。運(yùn)轉(zhuǎn)量與脈沖數(shù)的比例關(guān)系運(yùn)轉(zhuǎn)速度與脈沖速度的比例關(guān)系西門子S7-200CPU224XPCN本機(jī)集成14輸入/10輸出共14個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)。2輸入/1輸出3個(gè)模擬量I/O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或38路模擬量I/O點(diǎn)。22K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個(gè)獨(dú)立的30KHz高速計(jì)數(shù)器，2個(gè)獨(dú)立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。1個(gè)RS458通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)能力的控制器。三相異步電動(dòng)機(jī)DF3A驅(qū)動(dòng)器1.產(chǎn)品特點(diǎn)可靠性高:數(shù)字技術(shù)和單片機(jī)的應(yīng)用,使得驅(qū)動(dòng)器線路簡單可靠;合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、防護(hù)性能好；短路、過流、超溫、欠壓保護(hù)線路提供全面、可靠的保護(hù)、大大提高了步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的可靠性。低速性能好：引入單片機(jī)進(jìn)行軟環(huán)分及矢量細(xì)分，實(shí)現(xiàn)1:1平滑細(xì)分及5、10、20倍矢量細(xì)分，使得步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)，防止振蕩及失步。矢量細(xì)分技術(shù)的應(yīng)用，使得與μm級位置控制器配套的步進(jìn)系統(tǒng)輸出精度接近μm級。高速性能優(yōu)：輸入信號頻率不大于250kHz〔20細(xì)分時(shí)〕，輸出電流頻率可達(dá)15kHｚ。由于采用單高壓〔300V〕恒流斬波，高速特性好，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)空載運(yùn)行最高速不低于7.0mm/min適用面廣：輸出電流3A～10A可調(diào)，可驅(qū)動(dòng)90BF、110BF、130BF步進(jìn)電機(jī)，輸出轉(zhuǎn)矩2N·m～25N·m。2.主要技術(shù)參數(shù)驅(qū)動(dòng)器型號DF3A-03DF3A-04DF3A-05DF3A-06DF3A-08DF3A-10適配電機(jī)

90BF-110BC380B130BC380C130BC380D

110BC380C

130BC380E輸入電源AC110V-15%～+10%50/60HZ3A(Max)AC220V-15%～+10%50/60HZ3A(Max)輸出相電流〔A〕3A4A5A6A8A10A電機(jī)最高轉(zhuǎn)速不低于1300rpm工作環(huán)境0℃～45℃10%～85%RH、不結(jié)露。無腐蝕性、易燃、易爆、導(dǎo)電性氣體、液體和粉塵。保存環(huán)境-20℃～80℃10%～85%RH、不結(jié)露。驅(qū)動(dòng)方式單高壓恒流斬波半橋方式細(xì)分選擇4位DIP開關(guān)上電前設(shè)定1/5/10/20細(xì)分。輸入脈沖方式單脈沖方式：CP+DIR〔脈沖+方向〕；雙脈沖方式：CW+CCW〔正轉(zhuǎn)脈沖+反轉(zhuǎn)脈沖〕。脈沖頻率不大于250KHZ〔20細(xì)分時(shí)〕脈沖寬度不小于1μs換向間隔不小于10μs使能輸入FREE信號有效時(shí)驅(qū)動(dòng)器有電流輸出、電機(jī)受控。輸入信號電平5V、3mA～10mA，12V時(shí)串入1K電阻，24V時(shí)串入2.2K電阻。輸入回路有電流時(shí)輸入有效。初始相位輸出信號B相為上電初始輸出相位，僅B相輸出有效時(shí)PH.OUT輸出(NPN型OC)有效:與OUT.COM接通,吸入電流不大于6mA電流,負(fù)載電壓不大于24V。保護(hù)功能過流、短路保護(hù)；過熱保護(hù)；欠壓保護(hù)。報(bào)警輸出FREE無效或過流／短路／過熱／欠壓保護(hù)時(shí)，ALM輸出〔NPN型OC〕無效。FREE有效、無報(bào)警時(shí)，ALM與OUT.COM接通,吸入電流不大于100mA，負(fù)載電壓不大于24V。狀態(tài)指示綠色LED：H.POWER(電源指示)A.PHASE/B.PHASE/C.PHASE(相電流指示)紅色LED：ALARM〔報(bào)警指示，保護(hù)有效時(shí)亮〕PLC與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口原理圖PLC控制實(shí)例的流程圖及梯形圖控制要求要求點(diǎn)機(jī)能正反轉(zhuǎn)電機(jī)有上下速兩檔電機(jī)位移和距離有兩檔要求說明用PLS原理所有換擋均需要在電機(jī)停止時(shí)進(jìn)行流程圖I0.5〔高速〕I0.5〔高速〕I0.5〔低速〕I0.4〔關(guān)〕I0.4〔開〕啟動(dòng)時(shí)能信號選擇方向速度及控制步數(shù)PLS脈沖輸入梯形圖參考文獻(xiàn)[1]張運(yùn)剛、宋小春主編.西門子S7-200系列.北京：人民郵電出版社.2023.1[2]徐國林主編.PLC應(yīng)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2003控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)這次二十來天的學(xué)習(xí)和實(shí)際，是我們一次較全面，較深刻的對PLC知識的綜合運(yùn)用，通過這次學(xué)習(xí)，使得我們對PLC有了一個(gè)較為系統(tǒng)全面的認(rèn)識，加深了對所學(xué)知識的理解和運(yùn)用，將原來看來比擬抽象的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)了具體化，初步掊養(yǎng)了我們理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)思想，訓(xùn)練了綜合運(yùn)用相關(guān)課程的理論，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際分析和解決工程實(shí)際問題的能力，穩(wěn)固、加深和擴(kuò)展了有關(guān)PLC關(guān)于工業(yè)控制方面的知識。通過