FX2N系列PLC课件-步进电机实现机械手位置控制

可编程控制器应用技术三菱FX2N系列PLC教学课件模块五：PLC综合应用实例项目5-4步进电机实现机械手位置控制南京技师学院PLC精品课程课题组一、复习提问•1、当PLC与特殊功能模块连接时，每个特殊功能模块是如何确定地址编号？•答：编号的方法是从最靠近PLC基本单元的那个功能模块开始顺次编号，最多可连接8台功能模块（对应的编号微0-7号），其中PLC的扩展单元不记录在内。•2、FX2N系列PLC与特殊功能模块之间是如何读/写数据？•答：FX2N系列可编程控制器与特殊功能模块之间的通讯通过FROM/TO指令执行。FROM指令用于PLC基本单元读取特殊功能模块中的数据，TO指令用于PLC基本单元将数据写到特殊功能模块中。读、写操作都是针对特殊功能模块的缓冲寄存器BFM进行的。二、情景模拟•下图为TVT-99D机械手模型示意图，该机械手模型机械方面具有滚珠丝杠、滑轨、气缸、气控机械抓手等，电气方面由步进电机、驱动模块、传感器、开关电源、电磁阀、旋转码盘、操作台等部件组成。采用PLC控制步进电机、直流电机实现机械手的各种动作。•  该装置可由学生自行完成该装置各部件的组装、接线，软件编程，调整等训练。三、知识准备•1、步进电机的原理与驱动系统的基本组成•(1)步进电机的工作原理•步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。(2)步进电机驱动系统的基本组成•与交直流电动机不同，仅仅接上供电电源，步进电机不会运行的。为驱动步进电动机，必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器（在该机械手控制系统中采用PLC作脉冲发生器进行位置控制）、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器，及一个直流功率电源等组成一个驱动系统，如下图所示。2、步进电机驱动器的原理与选择•(1)步进电机驱动器的选择•所有型号驱动器的输入信号都相同，共有三路信号，它们是：步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE(此端为低电平有效，这时电机处于无力矩状态；此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，电机可正常运行)。它们在驱动器内部的接口电路都相同，见下图。OPTO端为三路信号的公共端，三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端须接外部系统的VCC，如果VCC是+5V则可直接接入；如果VCC不是+5V则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光耦提供8-15mA的驱动电流，参见下图。在该机械手中由于FP0提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，所以须外部另加1.8K的限流电阻R。步进电机驱动器的输出信号有两种:•1）初相位信号：驱动器每次上电后将使步进电机起始在一个固定的相位上，这就是初相位。初相位信号是指步进电机每次运行到初相位期间，此信号就输出为高电平，否则为低电平。此信号和控制系统配合使田，可产生相位记忆功能，其接口见图五。2）报警输出信号：每台驱动器都有多种保护措施(如：过压、过流、过温等)。当保护发生时，驱动器进入脱机状态使电机失电，但这时控制系统可能尚未知晓。如要通知系统，就要用到‘报警输出信号’。此信号占两个接线端子，此两端为一继电器的常开点，报警时触点立即闭合。驱动器正常时，触点为常开状态。触点规格：DC24V／1A或AC11OV／O．3A。(2)步进电机驱动器接线示意图(3)步进电机驱动器细分数和电机相电流的设定•1）细分数的设定•要了解“细分”，先要弄清“步距角”这个概念：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。SH系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定细分数的，您只需根据面板上的提示设定即可。在系统频率允许的情况下，尽量选用高细分数。•对于两相步进电机,细分后电机的步距角等于电机的整步步距角除以细分数，例如细分数设定为40、驱动步距角为0.9°/1.8°的电机，其细分步距角为1.8÷40=0.045。可以看出,步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动器工作在40细分状态时，其步距角只为电机固有步距角的四十分之一，也就是说：当驱动器工作在不细分的整步状态驱动上例的电机时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.8°；而用细分驱动器工作在40细分状态时，电机只转动了0.045°，这就是细分的基本概念。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。2）电机相电流的设定•SH系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定电机的相电流，您只需根据面板上的电流设定表格进行设定。(4)步进电机驱动器指示灯说明驱动器的指示灯共有两种：电源指示灯(绿色或黄色)和保护指示灯(红色)。当任一保护发生时，保护指示灯变亮。3、加减速功能的脉冲输出指令PLSR（3）指令说明•带加减速功能的脉冲输出指令，按[S1·]指令的最高频率分10级加速，达到[S2·]所指定的输出脉冲数后分10级减速。•K1500：指定的最高输出频率（HZ），其值只能是10的倍数，范围：10---20K（HZ），可以是T，C，D，数值或是位元件组合•D10：指定的输出脉冲数），范围：110--2147483647，脉冲数小于110时，脉冲不能正常输出，可以是T，C，D，数值或是位元件组合•K100：指定的加减速时间，设定范围：5000ms以下，可以是T，C，D，数值或是位元件组合。•Y0：指定的脉冲输出端子，只能是Y0，Y1。注：加减速时间的设定规范•1、每次变速量不能大于最高频率的1/10，就是说，PLSR指令采用十次变量加减速。如最高频率设为10000HZ，加减速时间为10ms，1ms加减速量是1000HZ。用这样大的加速量控制步进电机时，也许会使电机失调，所以在设定加减速时间时就需要考虑电机的加速特性。•2、加减速时间必须大于PLC程序扫描时间最大值（D8012）的10倍以上，如果不到则加减速时间时序不准确。•3、加减速时间必须大于或等于(450000/指定的最高输出频率)，如果小于这个值,加减速时间误差增大。•4、加减速时间必须小于或等于(指定的总脉冲数乘以818再除以指定的最高频率)。相关标志：M8029：脉冲发完后M8029闭合，驱动断开，M8029自动断开；D8040：32位寄存器，记录Y0的输出脉冲数D8042：32位寄存器，记录Y1的输出脉冲数D8136：32位寄存器，记录Y0和Y1的输出脉冲总数四、任务实施•1、控制系统程序分析•（1）机械手的控制•根据机械手的工作过程，其控制程序采用状态转移指令设计，其动作步骤为：横轴前升-手旋转到位-电磁阀动作，手张开-竖轴下降-电磁阀复位，手夹紧-竖轴上升-横轴缩回-底盘旋转到位-横轴前升-手旋转-竖轴下降-电磁阀动作，手张开-竖轴上升复位。•（2）步进电机的控制•根据控制要求，为确保机械手动作，给定步进电机驱动脉冲与方向信号。•（3）电磁阀的控制•根据控制要求，控制机械手的加紧和放松。2、控制系统硬件介绍•整个系统分为8个部分作为介绍：步进电机、步进电机驱动模块、传感器、传感器、PLC模块、直流电机、直流电机控制板、电源模块、旋转码盘。•（1）步进电机•采用二相八拍混合式步进电机，主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。型号：42BYGH101。电气原理图如下图所示。•快接线插头：红色表示A相,兰色表示B相.•如果发现步进电机转向不对时可以将A相或B相中的两条线对调。（2）步进电机驱动模块•采用中美合资SH系列步进电机驱动器，主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分等。•电源输入部分由电源模块提供，用两根导线连接，注意极性。•信号输入部分：信号源由FX系列PLC主机提供。由于PLC提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，中间加了保护电路。•输出部分：与步进电机连接，注意相序。•（3）传感器•1)接近开关：接近开关有三根连接线（红、兰、黑）红色接电源的正极、黑色接电源的负极、兰色为输出信号，当与挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。•2）微动开关：当挡块碰到微动开关动作。•（4）PLC模块•必须采用晶体管输出的PLC主机，其具有高速运算能力、PID调节功能、同时可以输出两路脉冲控制两台电机的优点。•（5）直流电机•输入电压为12V～24V，两根导线输入红色为直流电机正极，兰色为负极。（6）直流电机控制板•由输入信号、输入电源、输出等组成，输入信号由FX输出提供；输入电源由电源模块提供；输出驱动直流电机如下图所示•（7）电源模块：•输入交流电压：110V～220V/50HZ、60HZ；输出直流电压：24V/6.5A；最大功率：156W。•（8）旋转码盘：•机械手每旋转3°发出一个脉冲。3、控制机械手PLC的I/O地址分配表4、控制系统程序设计步进电机控制机械手模型梯形图（续）步进电机控制机械手模型梯形图（续）步进电机控制机械手模型梯形图（续）步进电机控制机械手模型梯形图（续）步进电机控制机械手模型梯形图（续）步进电机控制机械手模型梯形图（续）步进电机控制机械手模型梯形图（续）步进电机控制机械手模型梯形图（续）步进电机控制机械手模型梯形图（续）步进电机控制机械手模型梯形图（续）步进电机控制机械手模型梯形图（续）5、系统调试•（1)接上实验台上控制板的各模块所需的直流电源（DC24V），同时接上PLC主机电源及COM点[COM（±）接电源的正极，COM（—）接电源的负极]。•（2)定义实验板上的步进驱动器，上为1号下为2号。将1号的步进驱动器输出的信号与机械手横轴的步进电机线相连。将2号的步进驱动器输出的信号与机械手竖轴的步进电机线相连。其它的线，根据线标接在实验板或主机上的相应位置。注：Out（X0）表示传感器的输出与主机输入X0端子相连，不要与主机输出Y0端子相连。•（3)PLC输出脉冲信号接入步进电机的驱动器•Y0—1-CPY1—2-CP•Y2—1-DIRY3—2-DIR•（4)把主机上的RUN-PROG的开关拨在RUN上，如果不在初始位置上，步进开始运转（横轴向手那边移动，竖轴向上移动）。如运转的方向不对，立即切断电源，对方向不对步进电机线的红色两根线对调。•（5)动作步骤：•(1)横轴前升(2)手旋转到位(3)电磁阀动作，手张开•(4)竖轴下降(5)电磁阀复位，手夹紧(6)竖轴上升•(7)横轴缩回(8)底盘旋转到位(9)横轴前升•(10)手旋转(11)竖轴下降(12)电磁阀动作，手张开•(13)竖轴上升复位五、小结•通过本节课的学习，我们应该掌握：•1、根据控制系统的要求能够完成系统电路图的设计；•2、根据控制要求完成PLC控制程序的编写；•3、PLC、步进电机驱动器及步进电机的接线；•4、TVT-99D机械手模型的安装与调试；•5、按照控制要求能够正确通电试车。