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1、实验五 步进电机单轴定位控制实验一、实验目的1. 学习和掌握步进电机及其驱动器的操作和使用方法2. 学习和掌握步进电机单轴定位控制方法3. 学习和掌握PLC 单轴定位模块的基本使用方法二、实验原理步进电动机是一种将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移量的机电执行元件， 即步进电动机输入的是电脉冲信号，输出的是角位移或直线位置。每给一个脉冲，步进电动机转动一个角度，这个角度称为步距角。运动速度正比于脉冲频率，角位移正比于脉冲个数。步进电动机典型控制系统框图如图5.1 所示。- 11 -位置控制单元步进电动机驱动器步进电动机图 5.1 步进电动机典型控制系统框图位置控制单元可根据需要的频率和个数
2、以及设定的加减时间控制步进电动机运动。 由于步进电动机需要正反转运动，因此定位单元的输出脉冲形式有“脉冲方向”和“正脉冲负脉冲”两种，它们均可控制步进电动机正反转运动。输出脉冲形式通过参数设定来选择。其脉冲形式如图5.2 所示。脉冲信号方向信号正转反转(a) 脉冲方向正向脉冲正转反向脉冲反转(b) 正脉冲负脉冲图 5.2 定位模块的两种输出脉冲形式由于步进电动机的电磁惯性和所驱动负载的机械惯性，速度不能突变，因此定位模块要控制升降频过程。步进电机升、降频过程如图5.3。频 率（HZ ）f 1S2S3S1图 5.3步进电机升、降频示意图 其中： f1 设定的运行频率，应小于步进电动机的最高频率；
3、S1 设定的总脉冲个数；S2 升频过程中脉冲个数，由加速时间和运行频率确定；S3 降频过程中脉冲个数，由减速时间和运行频率确定。脉冲数（ PLS）一般情况下， S2 S3。步进电动机驱动器将位置定位模块的输出脉冲信号进行分配并放大后驱动步进电动机的各相绕组，依次通电而旋转。驱动器也可接受两种不同形式的脉冲信号，通过开关来选择，定位模块和驱动器的脉冲形式要相同。另外，为了提高步进电动机的低频性能，驱动器一般具有细分功能，多个脉冲步进电动机转动一步，细分系数一般为1、2、 4、8、16、32 等几种，通过拨码开关来设定。步进电动机驱动生产机械的运动部件。位置定位模块、 步进电动机及驱动器种类很多，
4、本实验中采用的是三菱FX2N 系 列 PLC中的双轴定位模块FX2N-20GM ，该模块与 PLC 相连，可以单独或同时控制两个步进电动机，步进电动机和驱动器为和利时产品。实验系统结构框图如图5.4 所示。图 5.4实验系统结构框图工作原理： PLC 及 20GM 实现对步进电动机系统的通电控制和定位控制，步进电动机通过丝杆带动工作台做直线运动。步进电动机转动一步机械实际移动的位移量称为脉冲当量，脉冲当量是数控系统中很重要的参数。实验系统中，步进电动机与丝杆直接连接，因此，脉冲当量的计算公式为： 脉冲当量丝杆螺距 / 3600 /（步距角 ×细分系数） 在实验系统中，丝杆的螺距为5m
5、m，步进电动机的步距角为1.80，细分系数为所设定的数据。正限位和负限位开关的安装位置由丝杆的导程确定，保证丝杆不被损坏，即当这两个开关的位置确定后，定位模块保证工作台的运动只能在这两个行程开关之间进行。原位开关用来确定机械坐标原点的位置。位置控制模块回原点操作，就是使机械原点和电气原点统一。三、实验步骤( 一) 系统通电和准备1. 在断电的情况下，按图5.5 接线（虚线框外的连线已接好） ；2. 征得老师同意后，合上电源开关；3. 利用 PC 机上的编程软件 “ FXGP/WIN-C”向 PLC 输入 PLC 控制程序（此时，PLC处于中止运行状态） ；4. 利用 PC 机上的定位软件 “
6、FXVPS-E”向 20GM 输入定位程序（此时， 20GM 的状态开关拔向手动位置 “MAN”U ）；5. 将 PLC 设置为运行状态，运行PLC，Y20 输出 1，KA1 得电，接触器KM2 的主触头闭合，驱动器SH-20403 得电；6. 将 20GM 的状态开关拔向自动位置“ AUTO”，运行 20GM ；7. 按 “复位 ”按钮， X 轴原位，此时的位置为坐标原点，记下该位置A 。（二）基本定位1. 设定步进电动机细分系数为8（实验中已按该系数进行了脉冲当量的计算和设定）；2. 设定相对于A 点的目标位置（单位为mm ，正值在 A 点的右边，负值在A 点的左边）和运动速度（单位为cm
7、/min ），把它们用参数设定的方法分别输入到位置量寄存器D2（实验程序定义）和速度寄存器D4（实验程序定义）中，具体设定方法：主菜单监控/测试改变当前值设定D2 、D4 的值；3. 按“启动 ”按钮， X 轴以设定的速度运动到指定的位置B，观测运动速度，运动结束后，测量 A 到 B 之间的距离，与设定位置比较；4. 重新设定目标位置和运动速度，重复3；5. 复位，设定目标位置为D2=0 ，工作台在 A 点不动。（三）细分1. 使细分系数不为8；2. 设定位置值和运动速度；3. 按“启动 ”按钮， X 轴以设定的速度运动到指定的位置B，观测运动速度，运动结束后，测量 A 到 B 之间的距离，与
8、设定位置比较；4. 复位，设定目标位置为0，工作台在 A 点不动。5. 实验结束后，断开电源。图 5.5实验系统接线图四、注意事项1A 点 一 定 通 过 回 原 点 得 到 ； 2系统中坐标为相对坐标，因此运动前后的位置值要不同，工作台才有移动； 3回原位后，测量一下A 点到左边行程开关之间的距离（负向位置最大值）和A 点到右边行程开关的距离（正向位置最大值）；4位置值设定为正时要小于正向位置最大值，位置值设定为负时要小于负向位置最大值。五、实验用仪器工具PC 机1 台PLC1 台20GM1 个RS232 电缆线1 根编程电缆1 根断路器（ QF1、QF2）2 个继电器（ KA2 ）1 个接
9、触器（ KM2 ）1 个驱动器（ SH-20403 ）1 台步进电机（ 56BYG250E ）1 台六、实验前的准备1. 预习实验指导书，并画出PLC 控制程序和 20GM 定位程序。2. 计算不同细分系数对应的脉冲当量。七、实验报告要求1. 画出 PLC 梯形图，并写出指令代码；2. 写出定位程序；3. 计算并分析实验结果和实验现象；4. 完成思考题。八、思考 题1. 影响步进电机单轴定位精度的主要因素是什么？2. 什么叫前极限、后极限、机械原点、电气原点？3. 如果设定速度和位置值不变，问当细分系数变大或变小，但脉冲当量没有做相应调整时，运动速度和运动位置会怎样变化？为什么？4. 系统中采
10、用的是相对坐标还是绝对坐标？实验六 交流伺服电机单轴定位控制实验一、实验目的1. 学习和掌握交流伺服系统的使用方法；2. 学习和掌握交流伺服电机单轴定位控制程序的设计方法。二、实验原理伺服电动机也称为执行电机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转角和速度，以带动控制对象。伺服电动机分交流和直流两种，本实验中采用是交流伺服。交流伺服电动机典型控制系统框图如图6.1 所示。位置控制单元位置给定伺服伺服驱动器电动机编码器位置反馈图 6.1 伺服电动机典型控制系统框图伺服驱动器是专用来对伺服电动机进行控制的电气系统，通过改变输入信号达到改变电动机的速度和转角的控制。目前伺服驱动器的输入有两
11、种形式：一是模拟量控制式，这种方式的驱动器，通过改变输入电压的大小控制转速或转角；二是数字控制式，这种方式驱动器与步进电动机控制相同，通过脉冲信号实现转角、速度和方向的控制。由图 6.1 可知：系统为一个半闭环系统，位置控制单元给出位置理论值，伺服驱动器将理论值和从电动机轴上测得的实际值进行比较，控制电动机运动。位置定位模块、 伺服电动机即驱动器种类很多，本实验中采用的是三菱FX2N 系 列 PLC的高速输出功能实现脉冲输出和方向控制，伺服电动机和驱动器为松下。实验系统结构框图如图 6.2 所示。图 6.2实验系统示意图工作原理： PLC 高速输出端输出脉冲和方向信号，实现对伺服电动机系统的通
12、电控制和定位控制，伺服电动机通过丝杆带动工作台做直线运动。伺服电动机转动一步机械实际移动的位移量称为脉冲当量，脉冲当量是数控系统中很重要的参数。伺服系统的脉冲当量的计算公式如下：脉冲当量丝杆螺距 /伺服电动机每转所需脉冲数在实验系统中，丝杆的螺距为5mm，伺服电动机每转所需脉冲数为10000（ pls/r ）。正限位和负限位开关的安装位置由丝杆的导程确定，保证丝杆不被损坏，即当这两个开关信号接入到交流伺服控制器的相应的输入端或送到位置控制器时，就可保证工作台的运动只能在这两个行程开关之间进行。原位开关用来确定机械坐标原点的位置。位置控制模块回原点操作，就是使机械原点和电气原点统一。实验电路原理
13、图如图6.3 所示。图 6.3实验电路原理图工作原理： 合上 QF1 和 QF3，PLC 通电、交流伺服系统接通控制电压， PLC 使输出 Y21 为 1， KA2 得电，触头使 KM3 线圈得电，主触头闭合，伺服系统强电接通，然后 PLC 使Y4 为 1，给交流伺服使能，此时，交流伺服完全准备好，可以执行定位控制。定位脉冲信号由 PLC 的 Y1 发出，方向由 Y3 控制。三菱 FX2N 系列 PLC 只有两个高速输出端Y1 和 Y0 ，使用专用脉冲输出指令 “ DPLSY ” 发送脉冲信号，其指令形式为：X10DPLSYS1S2D脉冲频率（HZ ）总脉冲数（ PLS）Y0 或 Y1前、后限
14、位开关直接接入交流伺服驱动器的专用输入端，进行限位保护。三、实验步骤1. 在断电情况下，按图6.4 接线（虚线框外的连线已接好） ；2. 征得老师同意后，合上电源开关；3. 将面板上 “工作方式 ”旋钮旋至 “点动 ”；4. 输入 PLC 程序，然后运行；5. 按 “启动 ”按钮，接触器KM3 的主触头闭合，伺服电机得电，延时2 秒输出 Y4， 使伺服电机准备好；6. 将“工作方式 ”选择开关旋至 “手动 ”位置，按 “正向 ”或“反向 ”按钮，将 Y 轴进行手动调 整 ；7. 将面板上 “工作方式 ”选择开关旋至 “自动 ”，读取此时指针指向的标尺位置A ；8. 依次给数据寄存器D0 输入表
15、 6.1 中的数据，按住 “正向 ”或“反向 ”按钮，直到 Y 轴移动到位置 B 自动停止（正向时运动使工作台远离电动机），测量位置 A 到位置 B 的距离并记录在表中。表 6.1实验数据与记录序号输入数据（脉冲个数）测量距离（ mm）110000220000330000440000550000660000黑色图 6.4实验系统接线图四、实验说明及注意事项1. 直流 5V 、24V 电压的极性不能接反，否则要损坏行程开关和交流伺服驱动器；2. 前、后极限开关和原位开关有正负极性，一定要将黑色接线柱一端接电源负，而另一端接交流伺服信号端和PLC 的输入端。五、实验用仪器工具PC 机1 台PLC1
16、 台RS232 电缆线1 根断路器（ QF1、QF3）2 个接触器（ KM3 ）1 个继电器（ KA2 ）1 个伺服电机（ MSMA042A1G ）1 台驱动器（ MSMA043A1A）1 台六、实验前的准备预习实验指导书及相关教材。七、实验报告要求1. 画出 PLC 梯形图，并写出指令代码；2. 计算并分析实验结果,根据上述参数计算出脉冲当量理论值，根据实验数据计算出脉冲当量的实际值，如有误差，分析误差的原因。八、思考 题1. 试简述 Y 轴回原位的动作顺序；2. 影响交流伺服电机定位精度的主要因素是什么？3. 如果要 Y 轴移动 60mm ，输入脉冲数是多少？4. 图 6.1 所示的交流伺服驱动单轴位置控制系统属于下列的那一种：开环位置控制系统、闭环位置控制系统、半闭环位置控制系统？