3PLC与步进电机控制.docx

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3PLC与步进电机控制

实验3PLC与步进电机控制

一.实验目的

1.熟悉可编程控制器PLC、步进电动机驱动器及步进电动机之间的连接，能独自完成接线；

2.了解步进电动机及其驱动器的性能参数以及设置

3.能够正确利用PLC输出脉冲信号驱动步进电动机。

二.实验内容

1.PLC、步进电动机驱动器及步进电动机之间的连线

2.利用PLC对步进电动机进行正/反转启动控制；

3.利用PLC对步进电动机进行多段速加减速控制；

三.仪器设备

综合实验台一台

2相4线步进电动机一台

工具包

四.相关知识

这部分篇幅较大，请先通读“实验步骤”部分，遇到不明白再在本节参考相关知识

1.步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

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”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。

2.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

3.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°/1.8°、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。

4.驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用

5.步进驱动器接线分类：

共阴、共阳。

应根据所选PLC来选择驱动器

西门子PLC输出信号为高电平信号，应采用共阴接法

三菱PLC输出信号为低电平信号，应采用共阳接法

6.PLC与步进驱动器的接线：

一般PLC不能直接去步进驱动器直接相连，因为驱动器的控制信号是+5V，而PLC的输出信号为+24V。

解决方法：

PLC与步进驱动器之间串联一只2K或1/4W的电阻，起分压作用（已集成到步进电动机驱动器中，本实验可以直接串接PLC输出端口和步进电动机输入端口）。

五.实验步骤

PLC控制步进电动机正向/反向启动

1.按下图连接PLC、常开按钮SB1~SB3步进电机驱动器和步进电动机。

检查无误后，合上主电源开关

2.步进电动机参数设置

按下表设定步进驱动器的工作状态，即：

32细分，最大允许3A电流

开关

S1

S2

S3

M1

M2

M3

状态

1

1

1

1

0

1

步进驱动器的端口分配请看其机壳

3.PLC的输入输出分配，脉冲发生器及高速计数器的组态、编程：

ST-1200的I/O分配表：

输入

输出

外接元件

输入端子

功能

输出端子

功能

SA1

I0.0

正转启动

Q0.0

输出高速脉冲

SA2

I0.1

停止

Q0.1

控制运行方向

SA3

I0.2

反转启动

本此操作选择Q0.0作为PWM脉冲，占空比为50%，脉冲频率为500Hz，即周期为2ms。

PLC上所有独立于CPU的模块在使用前必须进行组态并启用。

本实验需要组态脉冲发生器Pulse_1与高速计数器HSC1如下图：

参考实验1打开PLC的组态窗口，组态Pulse_1，在Q0.0启用PWM输出脉冲输出：

继续组态HSC1高速计数器，如下页图：

HSC的初始值设为0，参考值设为10000，并启用“等于参考值”的这一中断，在点击“硬件中断”一栏，选择新的中断事件，没有的话，点击添加对象，为此中断连接上中断程序，如下页图：

为新块命名为“PWM_Complete”，表示PWM信号输出达到参考值10000个事CPU执行的中断程序，按确定后，项目树的PLC_1下，多了一个PWM_Complete的程序块，独立于Main主程序块，这就是HSC1达到参考值后CPU执行的中断程序块，如下页图：

如下页图编写主程序块：

其中：

图中的变量名如“正向启动”和“反向启动”等在项目树中的“PLC变量名”表中定义，名字由用户自定义。

程序段1全局启用PWM模块，当“PWM使能”位为1时，输出PWM脉冲

程序段2~4：

I0.2“正向启动”为高位时，设HSC1参考值为10000，Q0.2“方向”复位，HSC1收到每一个脉冲后值+1（由外部端子决定方向），通过置位“PWM使能”使Pulse_1输出脉冲；当I0.4“反向启动”为高位时，设HSC1参考值为0，Q0.1置位，HSC1收到脉冲后值-1，Pulse_1也输出脉冲；当I0.3“停止”为高位时，复位“PWM使能”，Pulse_1停止输出脉冲。

如下页图编写PWMComplete中断程序块：

此时，HSC1的计数值被重置，“PWM使能”被复位，脉冲输出停止。

如下图，在项目树中下的“监视表格”中建立一个监视表，地址ID1000就是HSC1的计数值，这样我们可以实时监视HSC1的计数值，来确认Pulse_1的输出状态：

4.操作控制

1）参考实验1，将所有程序下载到S7-1200PLC中，并点击“转到在线”按钮：

此时，STEP7Basic进入在线状态，能够实时监控连接中的S7-1200PLC的运行，能手动把PLC的工作状态切换成运行/停止状态，能访问PLC的CPU所有的寄存器

然后进入到刚才建立的监视表格，按

按钮，实时监视表格里面的参数值。

留意地址为ID1000的数值，即HSC1的计数值。

2）按下SB1，Q0.0立即输出频率为500Hz的高速脉冲，驱动电动机正向转动，在监视表格上面可以看到ID1000的值在增加。

在ID1000达到10000时脉冲输出停止，电动机停车

3）按下SB3，Q0.0立即输出频率为500Hz的高速脉冲，驱动电动机反向转动，在监视表格上面可以看到ID1000的值在减少。

在ID1000返回0个时脉冲输出停止，电动机停车

4）无论电动机按哪个方向转动，当按下SB2时，脉冲输出立即停止，电动机停车

利用S7-1200PLC的动作控制命令库控制电动机进行定位，定速等复合动作

本实验中，控制要求有主轴定位、主轴恒速以及主轴归零位运行，每阶段之间皆有加减速过程，控制要求如下：

第1段：

主轴定位，旋转至最对位置正向360°，最高速度不超过180°/s

第2段：

主轴恒速，加速至1rpm后停止。

第3段：

旋转至相对于现在位置的正向960°，最高速度不超过720°/s

第4段：

回零位，最高速度不超过720°/s

5.接线要求如下，检查无误后合上电源开关

6.步进电动机参数设置跟上一个实验相同

7.PLC的输入输出分配，脉冲输出设置：

脉冲输出涉及的参数较多，手动建立指令集合非常繁复。

为此，STEP7Basic及S7系列的PLC提供了“运动控制”指令集，自动完成了轴运动的频率与输出个数，误差处理，斜坡加减速限制，脉冲输出与轴位置之间的数学转换模型等复杂的功能，从而提供了简单易用的轴定位，调速与包络运动等接口。

使用运动控制指令之前，首先要进行以下组态

1）高速计数器HSC1与脉冲输出Pulse_1->

2）建立一个轴工艺对象，将HSC1与Pulse_1的PTO分配给此轴工艺对象–>

3）对轴工艺对象进行组态

组态HSC1和Pulse_1:

参考上一个实验，组态HSC1，不一样的是，此次的模式设定为“运动轴”，如下图：

参考上一个实验，组态Pulse_1，不一样的是，此次的模式设定为“PTO”，如下图：

组态轴工艺对象：

在项目树中代开“工艺对象”，选择“新建工艺对象”，选择“轴”，命名为“Axis_1”

然后给新建立的Axis_1分配脉冲输出器和高速计数器，如果之前没有启用HSC1或者Pulse_1的，都可以在这个窗口中点解“设备配置”重新组态：

上图中，长度单位注意选[°]

本实验使用的步进驱动器步相角是1.8°,32细分，如下图：

经过上述步骤组态完毕后，可能会有报错，原因是速度与加速度限制经过重新计算后有冲突，请按实际情况重新输入。

在编程前，为检验Axis_1的组态是否符合实际，可以连上PLC，将所有变更下载进PLC，然后进入在线模式，如下图进行手动调试：

尝试在调试面板上手动命令Axis_1转一定角度，观察实际的运动情况是否一致：

注意：

必须先令MC_Power的Enable位为False，禁用运动控制指令时，才可以切换到手动模式。

本实验中断开SQ1就允许切换到手动模式了。

8.运动控制编程：

在手动调试模式确认组态正确后，按下一页图对PLC进行编程：

每一个MC指令完成时，都将背景数据包中的Done置位，然后自动触发下一个MC指令的Execute位，实现顺序控制。

关于一下几个常用MC指令集的简单介绍请参阅附录，详细介绍见STEP7Basic帮组文档和S71200PLC系统手册63页：

9.操作控制：

按下SQ1，启用轴Axis_1的运动控制命令，按一下SB1，步进电动机正向启动，按照控制分段运行，完成后停车

任何时候，松开SQ1，脉冲输出停止，电动机停车。

若再闭合SQ1后按SB1重新开始。

六.附录

STEP7系列软件与S7系列CPU集成的“运动控制”指令集：

MC_Power可启用和禁用运动控制轴。

必须有能流流过，Axis指定的轴才能动作

MC_Home可建立轴控制程序与轴机械定位系统之间的关系（包括重新定义零点）。

MC_Halt可取消所有运动过程并使轴停止运动。

MC_MoveAbsolute可启动到某个绝对位置的运动。

该作业在到达目标位置时结束。

MC_MoveRelative可启动相对于起始位置的定位运动。

MC_MoveVelocity可使轴以指定的速度行进

七.实验结果记录