2025/3/201【任務目標】本任務主要是利用PLC控制步進電動機系統運行實現步進電機的簡單控制。任務具體要求為：有一工作臺由步進電機拖動絲桿構成，工作示意圖如圖所示。絲桿導程為5mm，工作臺最大行程為25cm。設備上電后先回原點，然后再根據需要設定行程和運動速度進行運行，整個系統可以通過觸摸屏操作。2025/3/202【任務目標】通過這個任務的完成達到以下目標。1.知識目標（1）熟悉步進電動機和步進驅動器的結構和工作原理。（2）掌握步進電動機的銘牌信息、型號標識及主要參數。（3）掌握步進電動機及步進驅動器的選型。（4）掌握步進電機的簡單應用。2.技能目標（1）能準確識別步進電動機的銘牌、型號及主要參數。（2）能根據實際需要選擇合適的步進系統。（3）能完成步進電動機和步進驅動器以及控制器（PLC）的電氣連接（4）會編寫控制步進系統的PLC程序2025/3/203【任務分析】本任務主要是認識步進電動機整體結構及工作原理，通過銘牌了解步進電動機參數，然后選擇合適的步進電動機和步進驅動器，利用PLC來完成控制步進系統運行。通過教師的講授學習有關步進電動機的工作原理及結構和選型知識，引導學生學會查閱有關資料來完成本任務。

2025/3/204【知識準備】一.步進電動機 1.步進電機簡介步進電機是一種將脈沖信號轉換成角位移或直線位移的執行元件。步進電動機的分類形式很多型號也很多如：兩相步進電動機、三相步進電動機、四相步進電動機、五相步進電動機、永磁式步進電動機、反應式步進電動機和混合式步進電動機等等。步科3S57Q-04079雷賽373S152025/3/2052.步進電動機的結構和工作原理（1）步進電動機的結構反應式步進電動機由定子(繞組、定子鐵芯)、轉子(轉子鐵芯、永磁體、轉軸、滾珠軸承)、前后端蓋等組成。2025/3/206（2）步進電動機的原理三相反應式步進電動機為例三相單三拍、三相雙三拍、三相單雙六拍。2025/3/2073.步進電動機的參數(1)步距角它表示控制系統每發送一個步進脈沖信號，電動機所轉動的角度。式中，m相m拍時，k=l；m相2m拍時，k=2；m為相數，z為轉子齒數。例：某控制進給系統采用步科的3S57Q-04079步進電動機拖動，步距角α=1.2度。設脈沖當量δp=0.005mm,要求走刀距離為L=20cm。求需要多少個脈沖?步進電機轉多少圈?解：需要的脈沖數為：L/δp=(20×10)/0.005=40000個脈沖，即要走(40000×1.2)/360≈133.3圈才能走完這段距離。2025/3/2083.步進電動機的參數(2)相數步進電動機的相數是指電動機內部的線圈組數，或者說產生不同對極N、S磁場的勵磁線圈對數。(3)拍數完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態，用n表示，或指電動機機轉過一個齒距角所需脈沖數。以四相電動機為例，有四相四拍運行方式，即AB—BC—CD—DA—AB。(4)保持轉矩保持轉矩是指步進電動機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的轉矩。比如，常說2N?m的步進電動機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N?m。2025/3/2093.步進電動機的參數(5)箝制轉矩箝制轉矩是指步進電動機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的轉矩。由于反應式步進電動機的轉子不是永磁材料，所以它沒有箝制轉矩。(6)失步電動機運轉時運轉的步數不等于理論上的步數，稱為失步。速度過高、速度過低或者負載過大都會產生失步，失步會產生刺耳的嘯叫聲。2025/3/20104.步進電動機的特點①一般步步進電動機的精度為步進角的3%—5%，且不累積。②步進電動機外表允許的最高溫度取決于不同電動機磁性材料的退磁點。一般來講，磁性材料的退磁點都在130℃以上，有的甚至高達200℃以上，所以步進電動機外表溫度在80—90℃完全正常。③步進電動機低速時可以正常運轉，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。④低頻振動特性。步進電動機以這以連續的步距狀態邊移動邊重復運轉。其步距狀態的移動會產1步距響應。電動機驅動電壓越高電動機電流越大，負載越輕，電動機體積越小反之亦然。⑤步進電動機的力矩會隨轉速的升高而下降。⑥改變步進電動機定子繞組的通電順序，轉子的旋轉方向隨之改變。2025/3/2011二.步進驅動器步進電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上，而必須使用專用的步進電動機驅動器，它由脈沖發生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。步進電動機控制系統2025/3/20121.脈沖分配器脈沖分配器完成步進電動機繞組中電流的通斷順序控制，即控制插補輸出脈沖，按步進電動機所要求的通斷電順序規律地分配給步進電動機驅動電路的各相輸入端。例如：三相單三拍驅動方式，供給脈沖的順序為A-B-C-A或A-C-B-A。脈沖分配器的輸出既是周期性的，又是可逆性的(完成反轉)，因此也稱為環形脈沖分配。脈沖分配有兩種方式：一種是硬件脈沖分配；另一種是軟件脈沖分配，通過計算機編程控制。硬件脈沖分配器由邏輯門電路和觸發器構成，提供符合步進電動機控制指令所需的順序脈沖。目前，已經有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的集成電路脈沖分配器供選擇，按其電路結構不同，可分為TTL集成電路和CMOS集成電路。2025/3/20132.功率放大驅動電路功率放大驅動電路完成由弱電到強電信號的轉換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電動機繞組所須的具有一定功率的電流脈沖信號。一般情況下，步進電動機對驅動電路的要求主要有：能提供足夠幅值、前后沿較好的勵磁電流：功耗小，變換效奉高；能長時間穩定可靠運行；成本低且易于維護。2025/3/20143.步進驅動器設置與接線（1）步進驅動器設置3S57Q-04079步進電動機部分技術參數參數值參數名稱參數值型號3S57Q-04079引線數量6步距角1.2°±5%絕緣等級B相電流(A)5.8耐壓等級500VAC/min保持扭矩(Nm)1.5最大軸向負載(N)15阻尼扭矩(Nm)0.07最大徑向負載(N)75相電阻(Ω)1.05±10%工作環境溫度-20°C～+50°C相電感(mH)2.4±20%表面溫升最高80°C（相線圈接通額定相電流）電機慣量(kg.cm2)0.48絕緣阻抗最小100MΩ,500VDC電機長度L(mm)79重量(kg)12025/3/2015開關序號ON功能OFF功能DIP1-DIP3細分設置用細分設置用DIP4靜態電流全流靜態電流半流DIP5-DIP8電流設置用電流設置用3.步進驅動器設置與接線（1）步進驅動器設置驅動器的側面連接端子中間一般都有一個紅色的8位DIP功能設定開關，可以用來設定驅動器的工作方式和工作參數，包括細分設置、靜態電流設置和運行電流設置。下圖是步科3M458驅動器DIP開關功能規劃說明，2025/3/2016DIP5DIP6DIP7DIP8輸出電流OFFOFFOFFOFF3.0AOFFOFFOFFON4.0AOFFOFFONON4.6AOFFONONON5.2AONONONON5.8A細分設置表DIP1DIP2DIP3細分結果ONONON400步/轉ONONOFF500步/轉ONOFFON600步/轉ONOFFOFF1000步/轉OFFONON2000步/轉OFFONOFF4000步/轉OFFOFFON5000步/轉OFFOFFOFF10000步/轉3.步進驅動器設置與接線（1）步進驅動器設置輸出電流設置表2025/3/20173.步進驅動器設置與接線（2）步進驅動器連接3M458驅動器的典型接線圖如圖所示，控制信號輸入端使用的是DC24V電壓，所使用的限流電阻R1為2KΩ。2025/3/2018三.步進電動機和驅動器的選型1.步進電動機的選型步進電動機的選擇，機械方面應考慮與拖動設備的安裝方式和安裝尺寸相配合。電氣方面主要包含三個的內容。(1)步進電動機最大速度選擇步進電動機最大速度一般為600—1200r/m。(2)步進電動機定位精度的選擇機械傳動比確定后，可根據控制系統的定位精度選擇步進電動機的步距角及驅動器的細分等級。一般選擇電動機的一個步距角對應于系統定位精度的1/2或更小。(3)步進電動機力矩選擇步進電動機的動態力矩一下子很難確定，往往先確定電動機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電動機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載兩種。直接啟動(一般為低速)時，兩種負載均要考慮：加速啟動時，主要考慮慣性負載；恒速運行時，只要考慮摩擦負載。2025/3/2019三.步進電動機和驅動器的選型2.步進驅動器的選型選好步進電動機后，查閱手冊選用配套的驅動器。驅動器選擇時，應考慮輸入采用漏型還是源型與上位機控制器(如PLC)的配合方便，是否需要光耦作為電平轉換；輸入電壓的高低，是否需要串接電阻；驅動器細分能否滿足步進電動機的定位精度要求；驅動器輸出電流設置能否滿足步進電動機的轉矩要求。2025/3/2020四.定位控制定位控制是指當控制器按照控制要求發出控制指令，將被控對象的位置按指定速度完成指定方向上的指定位移，即在一定時間內穩定停止在預定的目標點處。定位控制是運動量控制的一種，又稱位置控制、點位控制。定位控制系統主要可分為開環位置控制系統、半閉環位置控制系統、全閉環位置控制系統、混合閉環位置控制系統。FX5UPLC定位通過各定位指令進行脈沖輸出，并基于定位參數（速度、動作標志位等）進行動作。2025/3/2021四.定位控制1.機械原點回歸指令DSZR/DDSZR2025/3/2022四.定位控制1.機械原點回歸指令DSZR/DDSZR注意：這個指令有些參數如：脈沖輸出模式、輸出軟元件等要在GXWorks3軟件的高速I/O參數設置里面設置，如圖所示2025/3/2023四.定位控制1.機械原點回歸指令DSZR/DDSZR注意：這個指令有些參數如：脈沖輸出模式、輸出軟元件等要在GXWorks3軟件的高速I/O參數設置里面設置，如圖所示2025/3/2024四.定位控制1.機械原點回歸指令DSZR/DDSZR示例：如圖所示程序表示軸1以觸摸屏設定的頻率進行原點回歸，爬行速度為200，正常回歸的標志位為M400。2025/3/2025四.定位控制2.脈沖輸出指令PLSY/DPLSY2025/3/2026四.定位控制2.脈沖輸出指令PLSY/DPLSY注意：①使用PLSY/DPLSY指令時，由于沒有方向，因此旋轉方向設定無效，始終為當前地址增加。輸出模式為CW/CCW模式時，始終從CW中設定的軟元件中輸出。使用反轉極限時，將作為正轉極限進行動作。②在指令驅動時，如果定位地址為0，將無限制地輸出脈沖。示例：如圖所示程序中第一行表示軸1以1000的速度運行到定位地址為200的地方，第二行表示軸2以1000的速度一直運轉。2025/3/2027四.定位控制3.相對定位指令DRVI/DDRVI2025/3/2028四.定位控制3.相對定位指令DRVI/DDRVI示例：如圖所示程序中，程序執行過程為，如果當前位置為10，則當X15為ON時，從當前位置10先以設定的速度運行到（10+10000=10010）的初始位置，然后再以增量的方式運行到（10+10000+100000=110010）結束位置。2025/3/2029四.定位控制3.相對定位指令DRVI/DDRVI示例：如圖所示程序中，程序執行過程為，如果當前位置為10，則當X15為ON時，從當前位置10先以設定的速度運行到（10+10000=10010）的初始位置，然后再以增量的方式運行到（10+10000+100000=110010）結束位置。2025/3/2030四.定位控制4.絕對定位指令DRVA/DDRVA2025/3/2031四.定位控制4.絕對定位指令DRVA/DDRVA示例：如圖所示程序中，假設D202=500,D304=15000,程序執行過程為，無論當前位置為什么值，當X15為ON時，都以設定的速度500運行到絕對位置（15000）的位置。如果D300=0，則相當于以500的速度回到絕對定位地址0的位置，也就是原點，所以這也可以作為一個回原點的操作來用。2025/3/2032四.定位控制5.可變速度運行指令PLSV/DPLSV2025/3/2033四.定位控制4.絕對定位指令DRVA/DDRVA示例：如圖所示程序中，若程序執行前D300=10000,D302=7000,D304=150000程序執行過程為，當X15=ON時，軸1以10000的速度進行定位運行，如在運行過程中，X16=ON,則軸1則變為以7000的速度進行定位運行，當X17=ON時則變為以15000的速度進行定位運行直到定位位置。2025/3/2034【任務實施】1.根據控制要求分析系統構成，畫出控制系統原理圖并完成硬件連接根據任務要求經過工作過程分析我們得到本系統可以由FX5U-32MT、步科3S57Q-04079型步進電動機，步科3M458步進驅動器、三菱GS2107觸摸屏、按鈕、位置傳感器（行程開關）等組成的系統來完成。使用到的PLC地址分配如表所示。輸入輸出原點位置傳感器SQ1X0脈沖信號輸出Y0原點回歸按鈕SB1X1脈沖方向輸出Y1啟動