机电一体化.pdf
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1、- 1 - 步进电动机步进电动机驱动器位置控制单元反转正转反转正转脉冲信号方向信号正向脉冲反向脉冲(a) 脉冲方向(b) 正脉冲负脉冲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。图
2、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。图 5.2 定位模块的两种输出脉冲形式- 2 - 频 率(HZ )脉冲数( PLS)f1S2 S3 S1 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。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
3、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。一般情况下,S 2S3。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,本实
4、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- 3 - 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
5、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“ FXVPS -E” 向 20GM
6、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,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/min) ,把它们用参数设定的方法分别输入到位置量
7、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;- 4 - 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
8、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);- 5 - 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-20403)1 台步进电机( 56BYG2
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