实验五 步进电机单轴定位控制实验

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1-2-9所示。

位置控 制单元 步进电动机驱动器 图1-2-9 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1-2-10所示。

(b) 正脉冲＋负脉冲

正向脉冲 正转 反向脉冲 反转(a) 脉冲＋方向

脉冲信号 方向信号 正转 反转步 进 电动机

图1-2-10 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1-2-11。一般情况下，S2＝S3。

频 率 （HZ） f1

S1 图 1-2-11 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；

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。

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。

脉冲数（PLS）

S2 S3

图1-2-12 实验系统结构框图

位置定位模块、步进电动机及驱动器种类很多，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1-2-12所示。

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5mm，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、实验内容及步骤

(一) 系统通电和准备

1．在断电的情况下，按图1-2-13接线（虚线框外的连线已接好）； 2．征得老师同意后，合上断路器QF1和QF2；

3．将编程电缆连于 PLC 上，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．将编程电缆连于20GM上，利用PC机上的定位软件“FXVPS-E”向20GM输入定位程序（此时，20GM的状态开关拔向手动位置“MANU”）；

5．将PLC设置为运行状态，运行PLC，Y30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（实验中以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/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；

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．设定目标位置为0，让工作台回到A点。 （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，与设定位置比较；

4．设定目标位置为0，让工作台回到A点。 （四）频率特性实验

1．设定步进电动机细分系数为1，输入20GM的步进特性实验程序；

2．当步进电动机的运行频率大于最高运行频率时，步进电动机会失步，影响定位精度，步进电动机应工作在最大运行频率以下。实验中所使用步进电动机的最大运行频率大约为1KHz，计算出运动机构的最高运动速度；

3．设定位置值和运行速度，并使运行速度大于最高运动速度；

4．按“启动”按钮，观察运动机构的运动想象，运动结束后测量运动的实际位置； 5．步进电机在较低的频率下运行时，步进电机就会振动，从而引起机械振动。步进电机应避免在振动频率下运行。实验中所用步进电动机的振动频率大约为200脉冲/S以下，计算出相对应的机械运动速度；

6．设定位置值和运行速度，并使运行速度在振荡速度区间； 7．重复4；

图1-2-13 控制系统接线图

四、实验说明及注意事项

1．A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 PLC 1台 20GM 1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 接触器（KM2） 1个

驱动器（SH-20806C） 1台 步进电机（57BYG250E） 1台

六、实验前的准备

预习实验报告及附录，并画出PLC控制程序和20GM定位程序。

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 。

4．写上实验目的、原理、步骤及电路图。

八、思考题

1． 试说明坐标轴的正向和负向的规定方法。 2． 影响步进电机单轴定位精度的主要因素是什么？ 3． 什么叫前极限、后极限、机械原点、电气原点 ？

4． 怎样实现步进电机的连续路径循环控制：正向移动20MM 反向移动20MM 正向移动20MM。

5． 在本实验中，如果要使X轴正向移动50MM，20GM须给步进电机发多少个脉冲 ？

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、实验内容

伺服电动机也成为执行电机，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1-2-14所示。

位置反馈 位置控 制单元 位置 给定 伺 服 驱动器 伺 服 电动机 编码器 图1-2-14 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1-2-14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1-2-15所示。

图1-2-15 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。本系统中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2500（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。

实验电路原理图如图1-2-16所示。

图1-2-16 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Y31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Y0和Y1，使用专用脉冲输出指令“DPLSY”发送脉冲信号，其指令形式为 ：

X10 DPLSY S1 脉冲频率 （HZ）

S2 总脉冲数 （PLS）

D Y0或Y1

前、后限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. 学生根据图1-2-17接线,为安全起见，伺服电机和驱动器的主控电路以及PLC外围的继电器KA3、接触器KM3输出线路已接好。

2. 征得老师同意后，合上断路器QF1和QF3。 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 。

1． 按“正向”或“反向”按钮，将Y轴移动至原位和正极限之间 。

2． 按“复位”按钮，使伺服电机驱动Y轴回原位，读取此时指针指向的标尺位置A。 8. 将面板上“工作方式”旋钮旋至“自动”，Y轴反向移动50MM，读取此时指针指向的 标尺位置B 。

9. 按“停止”按钮，接触器KM3的主触头断开，驱动器断电 。

图 1-2-17 交流伺服电机单轴定位控制实验接线图

四、实验说明及注意事项

1．直流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 PLC 1台 RS232电缆线 1根 断路器（QF1、QF3） 2个 接触器（KM3） 1个 继电器（KA3） 1个

伺服电机（MSMA042A1G） 1台

驱动器（MSMA043A1A） 1台

六、实验前的准备

预习实验报告及附录，并画出PLC控制程序梯形图。

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 。 3. 写上实验目的、步骤。

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，交流伺服电机需接受多少个脉冲 ？

4. 图1-2-14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 ？

六、实验前的准备

预习实验报告及附录，并画出PLC控制程序梯形图。

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 。 3. 写上实验目的、步骤。

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，交流伺服电机需接受多少个脉冲 ？

4. 图1-2-14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 ？

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