变频器与伺服驱动技术应用(向晓汉)课件PPT课件：PLC控制步进电机运行.ppt 36页

'任务3PLC控制步进电机运行电机驱动与伺服控制项目三步进电机控制系统安装与调试无锡职业技术学院 （1）步进电动机的结构和工作原理；（2）步进电动机步矩角和钳制转矩；（3）步距角、分辨率与控制精度的关系；（4）步进电动机的运行特性和影响因素及选用中应注意的问题；（5）步进驱动器的使用（细分）；（6）步进电机开环控制方式；（7）步进电动机的调速方法；（8）失步与产生失步的原因；知识点 （1）步进电动机和步进驱动器的选型；（2）根据步进电机步距角和脉冲频率计算转速和位移；（3）步进驱动器的接线与使用；（4）细分的设定。掌握步进驱动器的接线。技能点重点 1.1步进驱动系统的结构和工作原理1.1.1步进电动机简介步进电动机步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，是一种专门用于速度和位置精确控制的特种电动机，它旋转是以固定的角度（称为步距角）一步一步运行的，故称步进电动机。 永磁式步进电动机、反应式步进电动机和混合式步进电动机。还有其它的分类方法。1、步进电动机的分类 （1）步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电动机所转动的角度。2、步进电动机的参数Z－转子齿数，m－定子绕组相数，K－通电系数，当前后通电相数一致时K=1，否则K=2。（2）相数步进电动机的相数是指电动机内部的线圈组数，或者说产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。 （3）拍数完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用n表示，或指电动机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电动机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB。 （4）保持转矩（HOLDINGTORQUE）保持转矩是指步进电动机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。比如，当人们说2N•m的步进电动机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N•m的步进电动机。（5）钳制转矩（DETENTTORQUE）钳制转矩是指步进电动机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。由于反应式步进电动机的转子不是永磁材料，所以它没有钳制转矩。 （6）失步电动机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。速度过高、速度过低或者负载过大都会产生失步，失步会产生刺耳的啸叫声。 3、步进电动机的特点（1）一般步进电动机的精度为步进角的3~5%，且不累积。（2）步进电动机外表允许的最高温度取决于不同电动机磁性材料的退磁点。一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电动机外表温度在摄氏80~90度完全正常。 （3）步进电动机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法起动，并伴有啸叫声。（4）低频振动特性步进电动机以连续的步距状态边移动边重复运转。其步距状态的移动会产生1步距响应。电动机驱动电压越高，电动机电流越大，负载越轻，电动机体积越小，反之亦然。 （5）步进电动机的力矩会随转速的升高而下降。矩频特性曲线如图所示。 4、步进电动机的细分步进电动机的细分控制，步进电动机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电动机步距角的细分。通常细分数不超过256。例如当步进电动机的步距角为1.8°，那么当细分为2时，步进电动机收到一个脉冲，只转动1.8°/2=0.9°。采用细分驱动技术可以大大提高步进电动机的步矩分辨率，减小转矩波动，避免低频共振及降低运行噪声。 5、步进电动机的工业控制领域步进电动机可以广泛的应用于各种开环控制系统中。例如：打印机、磁盘驱动器、玩具、雨刷、震动寻呼机、机械手臂、简易数控机床和录像机。步进电动机应用 6、步进电动机的历史德国百格拉公司于1973年发明了五相混合式步进电动机及其驱动器；1993年又推出了性能更加优越的三相混合式步进电动机。我国在80年代以前，一直是反应式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是80年代后期才开始发展。百格拉步进电动机百格拉步进驱动器 1.2步进电动机的结构和工作原理步进电动机的结构与普通电动机类似。 1、步进电动机的结构由转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承），定子（绕组、定子铁芯），前后端盖等组成。最典型两相混合式步进电动机的定子有8个大齿，40个小齿，转子有50个小齿；三相电动机的定子有9个大齿，45个小齿，转子有50个小齿。步进电动机结构 步进电动机定子步进电动机转子 2、步进电动机的工作原理转子只有2个齿，而定子只有4个齿。当给A相通电时，定子上产生一个磁场，磁场的S极在上方，而转子是永久磁铁，转子磁场的N极在上方，如图由于定子A齿和转子的1齿对齐，所以定子S极和转子的N极相吸引，因此转子没有切向力，转子静止。步进电动机原理图 实践中定子的齿数在40个以上，而转子的齿数在50个以上，定子和转子的齿数不相等，产生了错齿。错齿造成磁力线扭曲，如图（A）所示，由于定子的由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动。 由此可见：错齿是促使步进电动机旋转的根本原因。步进电动机原理图 3、步进电动机的通电方式步进电动机的正反转控制，实际上是通过改变通电顺序实现的，以下以三相步进电动机为例说明正反转的实现原理。（1）单相通电方式。“单”指每次切换前后只有一相绕组通电。正转：A→Ｂ→Ｃ→Ａ时，转子按顺时针方向一步一步转动，参考图3-6。反转：A→Ｃ→Ｂ→Ａ时，转子按逆时针方向一步一步转动。动画 （2）双拍工作方式。“双”是指每次有两相绕组通电。正转：AB→BC→CA→AB。反转：AC→CB→BA→AC。 （3）单、双拍工作方式。即两种通电方式的组合应用正转：A→AB→B→BC→C→CA→A。反转：A→AC→C→CB→B→BA→A。 当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为f（HZ），步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：式中：Z－转子齿数，m－定子绕组相数，K－通电系数，当前后通电相数一致时K=1，否则K=2，f是电脉冲的频率。 【例3-1】若二相步进电动机的转子的齿数是100，则其单拍运行时，双拍运行时的步距角是多少？解：单拍运行时：双拍运行时： 1.3步进驱动器工作原理步进驱动器是一种能使步进电动机运转的功率放大器，能把控制器发来的脉冲信号转化为步进电动机的角位移，电动机的转速与脉冲频率成正比，所以控制脉冲频率可以精确调速，控制脉冲数就可以精确定位。步进驱动器 控制器（通常是PLC）发出脉冲信号和方向信号，步进驱动器接收这些信号，先进行环形分配和细分，然后进行功率放大，变成安培级的脉冲信号发送到步进电动机，从而控制步进电动机的速度和位移。可见：步进驱动器的最重要的功能是环形分配和功率放大。步进驱动器框图 1、步进驱动器驱动电路步进驱动器的电路有五部分组成，分别是脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路、环形分配器和功率放大器，电路组成如图所示。步进驱动器电路组成 2、步进电动机的选型步进电动机的选择主要含三个方面的内容，即电动机最大速度选择、电动机定位精度的选择和电动机力矩选择，以下分别介绍。（1）步进电动机最大速度选择步进电动机最大速度一般在600～1200rpm。（2）步进电动机定位精度的选择机械传动比确定后，可根据控制系统的定位精度选择步进电动机的步距角及驱动器的细分等级。一般选电动机的一个步距角对应于系统定位精度的1/2或更小。 （3）步进电动机力矩选择步进电动机的动态力矩一下子很难确定，往往先确定电动机的静力矩。静力矩选择的依据是电动机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。直接起动时（一般由低速）时，二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。 3、步进电机控制系统的应用用一个例子说明【例3-4】某设备上有1套步进驱动系统，步进驱动器的型号为SH-2H042Ma，步进电动机的型号为17HS111，是两相四线直流24V步进电动机，要求：压下按钮SB1时，步进电动机带动X方向的机构复位，当X方向靠近接近开关SQ1时停止，复位完成。请画出I/O接线图并编写程序。 【解】主要软硬件配置1）1套STEP7-Micro/WINV4.0；2）1台步进电动机的型号为17HS111；3）1台步进驱动器的型号为SH-2H042Ma；4）1台CPU226CN。 设计原理图 编写程序 '