西门子PLC控制步进电机的设计Word文档下载推荐.docx
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(3)工业器材方面,如拿放装置、性能测试装备等。
(4)小型自动化办公设备,如启动打标机、贴标机、割字机、激光打标记绘图仪等。
步进电机发展趋势
步进电机今后继续沿着小型化的方向发展。
随着电动机本身使用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化,要求和之配套的电动机也必须越来越小,在57、42机座号的电动机使用了多年后,现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。
瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。
除了传统的旋转步进电机,线性步进电机近些年来发展也很快,它减少了零部件,几乎没有磨损或维修,并且易于结合机器使用,非常适合在轻负载的情况下使用。
步进电机控制原理
在计算机控制系统中,步进电机是一种非常重要的自动化执行元件,它能将电脉冲转化为电动机轴的角位移。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),当步进驱动器一个一个地接收到若干个脉冲时,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
因此,可以通过控制进给脉冲的个数来控制电动机的角位移量,从而达到准确定位的目的
步进电机基本工作原理
步进电机的定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的。
定子的每对极上都绕有一对绕组,构成一相绕组,共三相称为A、B、C三相。
图4_1步进电机线圈绕组
在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿,采用适当的齿数配合,当A相磁极的小齿和转子小齿一一对应时,B相磁极的小齿和转子小齿相互错开1/3齿距,C相则错开2/3齿距。
如图所示
图4_2电机齿轮
上图中,A相绕组和齿1、5一一对应,而此时B相绕组和齿2错开1/3齿距,而和齿3错开2/3齿距,C相绕组和齿3错开2/3齿距,而和齿4错开1/3齿距。
电机的位置和速度由绕组通电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。
而方向由绕组通电的顺序决定。
步进电机一些基本参数
(1)电机固有步距角
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。
电机出厂时给出了一个步距角的值,如57BYG46403型电机给出的值为0.9°
/1.8°
(表示半步工作时为0.9°
、整步工作时为1.8°
),这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’,它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。
(2)步进电机的相数
是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为0.9°
、三相的为0.75°
/1.5°
、五相的为0.36°
/0.72°
。
在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。
如果使用细分驱动器,则‘相数’将变得没有意义,用户只需在驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。
(3)保持转矩(HOLDINGTORQUE)
是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。
它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。
由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。
比如,当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
(4)启动频率(fq0)
空载时,步进电动机由静止突然启动,并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率,称为启动频率或突跳频率,用fq表示。
若启动时频率大于突跳频率,步进电动机就不能正常启动。
Fq和负载惯量有关,一般说来随着负载惯量的增长而下降。
空载起动时,步进电动机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。
步进电机细分驱动技术
步进电机的运行需要各相电流满足一定的时序要求,而电磁力的大小和绕组通电电流的大小有关,如果绕组中电流不再是方波,而是一个分成个台阶的近似阶梯波,电机每运行一个阶梯即转动一步。
当转动小步时,实际上相当于转过一个步距角,这就是所谓的细分。
以二相步进电机为例式
(1)、式
(2)为A、B相电流公式,式(3)、式(4)则为分别的力矩。
这里
是转矩的常量,矢量合成式(3)、式(4)得到
可见,细分前后合成力矩并没有变化,但是电机运行的平稳性却增加了。
图1-3的上半部分为整步运行下的A、B两相的电流图。
可以看出1、2、3、4点的合成力矩相等,但是连续性不好,尤其在低频运行时会有明显的振动。
而经过细分的则不同,如图下半部分所示,将整步的一拍分成了四步来完成,即四细分。
每一微步的电流合成大小都一样,这样使得每一步过渡更加平稳,有效抑制了振动,并减少了失步。
图4_3步进电机细分技术
由此可见,细分驱动能极大地改善步进电机运行的平稳性,近几年来由于微处理机技术的发展,细分技术得到了广泛使用。
高速脉冲产生和高速计数功能
西门子S7-300PLC中的CPU312C、CPU313C、CPU313-2DP等型号,集成有用于高速计数以及高频脉冲输出的通道,可用于高速计数或高频脉冲输出。
该类型PLC有3个用于高速计数或高频脉冲输出的特殊通道,3个通道位于CPU313C集成数字量输出点首位字节的最低三位,这三位通常情况下可以作为普通的数字量输出点来使用。
再需要高频脉冲输出时,可通过硬件设置定义这三位的属性,将其作为高频脉冲输出通道来使用。
4.3.1设置硬件通道
为普通数字量输出点使用时,其系统默认地址为Q124.0、Q124.1、Q124.2(可自行修改),作为高速脉冲输出时,对应的通道分别为0通道、1通道、2通道(通道号为固定值,不能自行修改)。
每一通道都可输出最高频率为2.5KHZ(周期为0.4ms)的高频脉冲。
步骤1:
双击“Hardware”,进入硬件组态界面
图4_4硬件组态界面
步骤2:
双击“Count”,打开通道设置对话框
图4_5通道设置对话框
步骤3:
选择“Channel_1“Operating”选择为“pulse–widthmodulation”
图4_6选择产生脉冲
步骤4:
选择产生脉冲的周期、延迟产生的参数等。
图4_7设置脉冲参数
单击“OK完成配置。
下面对高速计数通道进行配置,和前面一样的内容不进一步介绍,下面主要对不同的设置做出说明。
具体过程如下:
选择通道0,选择连续计数功能。
图4_8高速计数选择界面
打开计数选项卡
图4_9计数参数设置
单击“OK”完成设置。
这样,硬件的配置就完成了。
但是,除了硬件的配置外,还要进行软件的研究,下面就会对西门子S7-300PLC的脉冲产生和计数进行分析。
系统功能块SFB49
选中项目下最后一级子菜单Blocks,并双击Blocks中的OB1进入程序编辑器,在OB1中,调用SFB49。
过程如下:
在指令集工具中,找到library(库)->
standardlibrary(标准库)->
systemFunctionBlocks(系统功能块)菜单,并双击该菜单下的系统功能块SFB49进行调用
图4_10系统功能块SFB49
部分参数含义:
参数符号
地址/类型
含义
其它
CHANNEL
DBW2/INT
通道号
SW_EN
DBX4.0/BOOL
软件控制门
OUTP_VAL
DBW6/INT
脉冲占空比设置
系统功能块SFB47
选中项目下最后一级子菜单Blocks,并双击Blocks中的OB1进入程序编辑器,在OB1中,调用SFB47。
systemFunctionBlocks(系统功能块)菜单,并双击该菜单下的系统功能块SFB47进行调用
图4_11系统功能块SFB47
SW_GATE
高速计数软件控制门
JOB_REQ
DBX4.3/BOOL
写请求
JOB_ID
DBW6/WORD
JOB_VAL
DBD8/DINT
COUNTVAL
DBD14/DINT
计数值
两通道均采用软件门控制,这样可以较为容易利用软件实现。
步进电机控制方案设计
使用PLC控制步进电机时,可使用PLC产生控制步进电机所需要的各种时序的脉冲。
控制工艺提出
根据波峰焊接机构对助焊剂泵运动的要求,提出以下的控制工艺,主要是要能根据PCB板确定泵移动的范围,不能有累积误差,因此用步进电机可以很好的实现这种控制要求。
图4_12步进电机控制工艺
上图箭头表示计数方向,从初始位置向左右移动的过程计数,返回途中不进行计数操作。
脉冲发出有软件控制门控制,当助焊剂泵动作时,产生脉冲,步进电机进行自动复位操作。
助焊剂泵停止动作时,步进电机运行到初始位置停机。
控制方案设计
根据上下位机的监控、执行原理可得到如下图所示的控制原理图。
同时根据此图可以画出系统的接线图。
图4_13步进电机控制原理图
西门子PLC和步进电机驱动器相连时,采用共阳极方式连接,I0.1为高速计数控制门,始终置“ON”。
Q0.0口输出高频脉冲,通过I0.0对脉冲进行计数。
0.3控制电机正反转,Q0.3=1正转,Q0.3=0反转。
Q0.1控制脉冲产生。
图4_14步进电机控制接线图
PLC程序实现步进电机控制
步进电机控制程序参数分配表
地址
符号
M20.0
助焊剂泵工作信号
DB3.DBX0.0
上电记忆信号
DB3.DBX0.1
断电记忆信号
I1.7
BG14
初始位置
I1.5
BG12
左移限位
I1.6
BG13
右移限位
Q0.2
GSMC_GATE
脉冲软件控制门
Q0.3
电机方向判断
助焊剂泵工作、停机记忆
图4_15助焊剂泵工作、停机记忆信号
此记忆信号的作用,是控制脉冲的产生。
即通电时,产生脉冲信号,断电时,继续产生脉冲信号直至助焊剂泵回到初始位置。
脉冲和计数控制逻辑
图4_16脉冲软件控制门控制逻辑
工作原理:
通电信号M20.0的上升沿活着下降沿将置位Q0.2,此时脉冲信号发出。
断电后即M20.0的下降沿到达,M30.0为“OFF”,助焊剂泵继续运动至回到初始位置I1.7。
图4_17每次返回时断开计数器
图4_18冲计数器控制逻辑
图4_19脉冲数值测量控制程序
M30.0为ON且经过I1.7时候开始计数。
每次到达两端位置处停止计数,M30.1左行计数值达到的记忆信号。
同理,M30.2为右行计数值达到的记忆信号。
此时复位计数器,助焊剂泵向初始位置方向移动,到达I1.7时重新开始计数。
右行同左行原理。
返回时断开计数器。
4.5.4电机运动方向控制
图4_20电机运动方向判断
在Q0.3=1时,正向记忆信号为40.1,反向时保持信号100ms。
Q0.3=0时,反向记忆信号为40.2,正向时保持信号100ms。
这里的100MS主要是为了,错开Q0.3和记忆信号的同步状态,如下图所示。
图4_21正反向运动控制和记忆信号时序图
图4_22正向记忆信号
图4_23反向记忆信号
初始位置判断和复位
图4_24启动和停止时产生高速脉冲
断电时不立即断开脉冲,而是当助焊剂泵运动到初始位置才会断开脉冲。
当断电后,助焊剂泵运动到I1.7位置处,停止产生脉冲,电机停止运行。
图4_25断电时电机正转
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