拓展实训项目二-基于步进电机的伺服系统的设计与调试

PAGE拓展实训项目二基于步进电机的伺服系统的设计与调试实训目标一、项目理解本项目的工作任务是通过对步进电机进行控制来实现对加工工件的精确定位。学生接受工作任务后，应仔细阅读和理解，确认本项目的工作内容和控制工艺。在教学过程中，学生以工作小组的方式接受任务，由此可锻炼学员的资讯收集、项目组织、计划制定、任务实施以及团队合作的综合能力。二、知识传授本项目是在基于工作过程的情境教学环境下，给学员补充必要的核心知识，知识的传授以必须够用为基本原则，针对工作过程中教学的重点和难点进行必要的知识扩展。如三相步进电机及其驱动器的安装和接线，PLC程序的在线调试，整个系统通电运行及调试。三、能力培养情境教学的优点是对学员工作能力的一种综合培养，可以完整地考核一个学员对项目的完成情况，教学过程中，不仅注重结果，更注重工作过程，本项目主要培养学员工作计划制定、电气识图、设备安装调试、工作过程的组织及团队合作等综合能力。工作任务书一、相关描述1.控制对象说明本项目是在产品工件加工台定位单元上完成电气系统的安装、接线、PLC在线调试等任务。产品加工工件台定位单元是一个典型的工业控制环节，广泛应用于机床加工，是情境教学的一个典型案例。工件加工台定位单元结构如图1所示。2.控制工艺流程工件台的起始位置位于SQ5，当按下启动按钮时，步进电机上电，等待系统将工件放至工件台，2s（秒）后，步进电机以30mm/s的速度正向旋转将工件台带动至SQ6点停车，（已知丝杠的螺距为4mm/r）等待工件的加工；5s后，步进电机以10mm/s的速度正向旋转将工件台带动至SQ7点停车，等待系统将加工好的工件拿走；3s后，步进电机以50mm/s的速度反向旋转到SQ5图1工件加工台定位单元结构图二、实训目的（1）掌握步进电机的安装、接线方法。（2）掌握步进电机驱动器的接线与参数设置方法。（3）掌握PLC的安装与接线方法。（4）掌握编码器的接线与使用方法。（5）掌握步进电机的工作原理与驱动方法（6）能够进行电气系统的安装、接线。（7）能够编写驱动步进电机的PLC指令。（8）能够进行PLC用户程序上传与下载（9）能够进行系统的整体装调。三、实训器材及仪器和仪表本项目所需的实训器材明细见表1。表1项目实训器材及仪器和仪表明细表序号实训器材数量备注1机电综合实训工作台1台含电源及辅助装置2计算机1台含工具软件3工件加工台定位单元1套教学实训柜4数字万用表1块5组合工具1套6电气安装辅料1套四、实训预习要点（1）3M458步进电机驱动器的安装与接线（2）三菱FX2N系列PLC的安装与接线。（3）编码器的接线和编程方法。（4）工件加工系统的工作流程。（5）程序、指令编辑方法。（6）用户程序的在线调试五、实训内容任务一项目实施前的准备（1）阅读三菱FX2N系列PLC用户手册（2）阅读3M458步进电机驱动器用户手册（3）电气控制原理图识读与分析（4）制定整体工作计划（5）领取实训器材并检测任务二安装、接线（1）系统整体布局安装（2）PLC与步进驱动器的连接（3）步进电机与步进驱动器的连接（4）检查与通电测试任务三编程、调试与运行（1）PLC用户程序调试（2）步进驱动器的简单参数设置（3）运行并观察结果（4）记录相关数据并分析任务四提交数据和报告（1）认真填写实训报告（2）步进驱动器的参数设置清单（3）PLC程序清单六、工期要求本项目以工作任务为单元进行实施，4个学员为一个工作小组。学员应充分发挥团队协作能力，合理分配工作任务及时间，本学习情境占用8学时，360分钟。七、注意事项1.对领出的器件应仔细进行检查，发现问题向指导教师说明并更换。2.拆卸步进电机及驱动器、PLC之前前应仔细阅读用户手册，避免造成设备的损坏。3.安装及布线时应严格遵循国际电工委员会的安装标准。4.禁止私自对设备送电，送电时指导教师必须在场。5.接通电源前应仔细进行检查，确保无误时再按顺序进行送电。6.调试运行过程中发现异常现象应立即断开设备供电电源。7.任务完成后对实训器材应做好检查和退库工作。8.工作任务结束后要做好实训场所的公共卫生。项目实施任务一项目实施前的准备实训模块1阅读相关技术资料1．阅读FX2N用户手册并回答下列问题（1）常用特殊存储器位说明位地址功能说明M8000M8001M8002M8235C235D8011D80122．阅读3M458用户手册并回答下列问题（1)驱动器DIP开关开关序号ON功能OFF功能DIP1~DIP3DIP4DIP5~DIP8（2)细分设定DIP1DIP2DIP3细分数ONONONONONONONOFFONONOFFOFFOFFONONOFFONOFFOFFOFFONOFFOFFOFF3．控制系统原理分析（1）根据图7叙述工件加工台定位单元主电路的电气控制原理：（2）根据图8叙述工件加工台定位单元控制电路的电气控制原理：知识链接1系统组成与控制原理1．系统基本组成1）电气元件电气元件包括低压断路器、按钮、光电开关、位置开关、接线端子及安装辅料等。实物图如下所示：图2工件加工台定位单元电气原件实物图2）步科kinco三相步进电机实物图如下所示：图3工件加工台定位单元步进电机实物图3）3M458步科步进电机驱动器图4工件加工台定位步进驱动器实物图步科3M458步进驱动器的主要特点：-供电电压DC18V-40V-最大驱动电流5.8A/相-细分驱动，运转非常平滑-八档细分选择，可代替2相和5相-光电隔离输入功能-电机短路保护功能-具有脱机功能-具有全流、半流锁相选择功能-设计精巧、噪音低、振动小4）光电编码器图5工件加工台定位光电编码器实物图5）三菱FX2N-48MT可编程控制器PLC为三菱FX2N-48MT。此PLC为三菱公司推出的FX系列PLC，FX2N为系列名称，48为IO总点数，M为单元类型（基本单元），T为输出形式（晶体管输出）。图6工件加工台定位单元PLC实物图2．系统控制原理1）电气系统主电路工件加工台定位单元的主电路由低压断路器、直流稳压电源、步进电机驱动器、接线端子、三相步进电机组成。主电路电气原理图如图7所示。图7工件加工台定位单元主电路电气原理图2）电气系统控制电路工件加工台定位单元的电气控制电路由光电编码器、位置保护开关、光电检测传感器、PLCI/O接口、步进电机驱动器控制信号、接线端子等组成。控制电路电气原理图如图8所示。图8工件加工台定位单元控制电路电气原理图实训模块2制定整体工作计划课程名称：电机拖动与调速技术授课地点：项目名称：基于步进电机的伺服系统的设计与调试实训课时：8学时指导教师：课程性质：技能实训项目学习形式：项目教学4人/组任务一项目实施前的准备序号工作步骤计划时间（分钟）实际时间（分钟）教师评价1阅读相关技术资料2制定整体工作计划3实训器材的检查任务二安装、接线序号工作步骤计划完成学时实际完成学时教师评价1系统整体布局安装2电气控制系统线路连接3检查、通电测试任务三编程、调试与运行序号工作步骤计划完成学时实际完成学时教师评价1步进电机驱动器设置2PLC用户程序仿真及上传3电气控制系统整体调试与运行任务四提交数据和报告序号工作步骤计划完成学时实际完成学时教师评价1填写实训报告2步进电机驱动器设置参数3PLC用户程序清单知识链接2工作计划制定方法1.工作量估算在制定工作计划时，要对项目的工作量有个整体的估计，如器件的领取、器件的检查、系统布局安装、系统线路连接、功能检查测试、通电运行、拆卸器件等。合理分配工时是制定工作计划的主要依据，一份好的工作计划实际就是完成工作任务的指导大纲。2.合理分配工作任务在产品自动分选系统中，是以4人为一个工作小组进行任务实施，在制定工作计划时，要对整体的工作内容进行合理分配，4人实现交叉工作、互不干扰，相互协作的原则，充分利用有效时间使工作任务的实现呈现最大化。实训模块3领取实训器材并检测步进电机伺服系统实训器材及设备清单序号名称规格型号数量检测结果更换记录1工件加工台定位单元2FX2N-48MT33M458步进驱动器4步进电机5光电编码器6低压断路器7交流接触器8光电开关9磁感应开关10按钮11信号灯12接线端子教师综合评价：步进电机伺服系统实训工具及仪表清单序号名称规格型号数量检测结果更换记录1十字中号螺丝刀2一字中号螺丝刀3一字小号螺丝刀4剥线钳5压线钳6尖嘴钳7偏口钳8数字万用表教师综合评价：步进电机伺服系统实训安装辅助材料清单序号名称规格型号数量增加数量浪费数量1塑料线槽2机螺丝（含垫、螺母）3机螺丝（含垫、螺母）4铜导线（软线）5铜导线（软线）6塑料线性护套7塑料扎带教师综合评价：知识链接3器件检查方法1.器件外观检查（1）检查器件的外观是否有破损。（2）检查器件的安装固定部分是否有破损。（3）检查所有电气接点的螺丝是否有滑扣现象。（4）检查气动接头是否能够进行可靠连接。（5）检查所有机械部分，观察是否动作灵活可靠。2.器件电气性能检查（1）用万用表测量电气元件的触点，观察接触是否正常。（2）用万用表测量电气元件的线圈阻值，观察读数是否正确。3.步进驱动器检查（1）检查步进电机驱动器正常通电一段时间之后，步进电机是否正常锁住。一般只要接线正确，步进电机在驱动器通电之后过几秒钟都会自动锁住。4.可编程控制器检查（1）检查可编程控制器是否能正常通电，输入点X是否能正常接收外部信号，输出Y是否能正常输出。检查通信线缆是否可以正常通讯。任务二安装、接线实训模块1工件加工台定位单元布局安装1．请绘制工件加工台定位单元安装布局图2．工件加工台定位单元器件的安装在指定的实训台上（可以是机电综合实训台，也可以是自行设计的电气安装实训台）进行工件加工台定位单元器件的安装。安装内容为:（1）线槽布局安装。（2）电气器件布局安装。（3）操作面板布局安装。知识链接1器件的安装方法在对所有电气元件进行安装之前，应对项目所需器件的安装尺寸进行测量，合理摆放器件。依据工件加工台定位单元的控制原理绘制出系统安装布局图。1．线槽的安装电气控制系统的连接导线大部分装在线槽中，线槽的外框要实现八字口对接。线槽的剪裁方法已在拓展项目一中讲过，在此不再赘述。此处线槽的布局图如图9所示。图9工件加工台定位单元线槽的布局2．电气元件的安装线槽布局好后，就可以安装相关的电气元件了，电气元件在安装之前应进行外观和电气性能检查，然后再根据线槽的布局结构进行安装。安装时，应注意相关电气元件的合理分布与耗材的节省，考虑电气之间的绝缘、信号干扰等诸多因素的影响。原则上应该将电源线和信号线分开进行安装。实训模块2工件加工台定位单元的电气线路连接1．电气线路连接填写工作日志连接过程出现的问题解决处理方法知识链接2系统连接方法及注意事项电气布线原则、导线的颜色区分、连接方法等已在之前项目拓展一中进行阐述，此处不再赘述，大家可参考之前的接线原则进行本任务的接线。需要大家注意的是以下几种器件的接线方法。1.传感器连接方法开关量传感器（磁性开关、光电开关、光纤传感器）的直流输出接线有二线式（棕+、蓝-）、三线式（棕+、蓝-、黑或白）等。规格又有NPN型、PNP型等区别。在需要将传感器信号接入PLC的时候，对于两线式传感器，只需要将其中一根线接PLC的COM端，另一端接PLC的输入端X即可。对于NPN型三线式传感器，要将其中0V（兰）接PLC的COM端，+24V（棕）接外接24V电源或者接PLC的外供电源，剩下一根线（黑/白）应接PLC的输入端X。接线原理如图10所示。图10NPN型三线式光电传感器接线图输出线为棕+、蓝-、黑时，表示输出方式为常开（NO）；输出线为棕+、蓝-、白时，表示输出方式为常闭（NC）。NPN型传感器的接线是输出与电源正极之间接负载，PNP型传感器的接线是输出与电源负极之间接负载。2.编码器接线在我们使用的编码器上，分别有A相、B相、Z相、电源正极、电源负极以及地线，总共六根。在这里我们只使用其中的四根线，其接线方法如下：A相——X000B相——X001电源正极——+24V+24V电源在PLC上有电源负极——COMCOM指的是PLC上的COM端子3．可编程控制器和步进电机驱动器的连接方法对于可编程控制器来说，控制电源供电应采用双绞线连接，在电源环境比较恶劣的情况下，控制电源可考虑采用1：1的变压器进行隔离，同时，在变压器的一次側连接电源滤通器。步进驱动器的供电电源以及PLC的输入输出信号的供电应采用稳压电源，最好为直流开关电源。输出电源最好不要与输入电源混用，以免造成电气干扰。输出信号与感性负载连接时，应加保护电路。晶体管输出时应在负载两端加反向二极管，继电器输出时，应在负载两端加阻容保护回路或加装压敏电阻。提高输出点的使用寿命。4．步科kinco三相步进电机接线其接线应该遵循以下原则：(1)红色和银白色接驱动器U相(2)蓝色和白色接驱动器V相(3)黄色和绿色接驱动器W相具体接线图如下所示：图11三相步进电机接线图实训模块3系统检查与测试1．工件加工台定位单元通电前的检查检查记录安装、布线工艺检查电气绝缘性能检查电气线路连接正确性检查2．工件加工台定位单元通电测试测试记录通电后的状态监测传感器功能测试知识链接3系统检查与测试方法1．系统断电检查方法系统在安装布局和线路连接后都应在第一时间进行检查，检查的目的是为了避免通电后造成电气事故。检查的方法是通过使用万用表先检查线路中有没有不同电压等级的线路混联，然后再测试线路中是否有短路现象，按照原理图检查是否存在线路错接现象。一切检查完毕就可以通电测量了。2．系统通电测量方法系统检查无误后即可通电测试，上电要逐步进行，遵循先控制电路上电，再主电路上电的原则。避免因电路连接的错误而导致设备损坏或发生不必要的人身安全事故。系统安全上电后，要注意步进驱动器和可编程控制器的状态指示。任务三编程、调试与运行实训模块1产品加工台定位单元步进驱动器参数设置1．填写步进电动机铭牌数据型号功率转速扭矩2．步进驱动器参数设置通过阅读3M458步进驱动器用户手册，将驱动器的DIP开关进行适当的调整，以满足以下几点要求：步进驱动器参数设置序号要求DIP开关设置情况1电机每转所需脉冲数为10002静态电流为全流3驱动器输出相电流为5.8A填写工作日志（操作步骤）知识链接13M458步进驱动器参数设置方法对3M458步进驱动器进行参数设置时，主要是对其八个DIP开关进行合理的调整，这八个DIP开关不同的状态分别代表着不同的功能。具体的含义如表2~表4所示。表2DIP开关总体功能表开关序号ON功能OFF功能DIP1~DIP3细分设置用细分设置用DIP4静态电流全流静态电流半流DIP5~DIP8电流设置用电流设置用表3细分设置表DIP1DIP2DIP3细分数(电机每转所需脉冲数)ONONON400PPRONONON500PPRONOFFON600PPRONOFFOFF1000PPROFFONON2000PPROFFONOFF4000PPROFFOFFON5000PPROFFOFFOFF10000PPR表4输出相电流设定表DIP5DIP6DIP7DIP8输出电流OFFOFFOFFOFF3.0AOFFOFFOFFON4.0AOFFOFFONON4.6AOFFONONON5.2AONONONON5.8A实训模块2工件加工台定位单元PLC程序下载1．RS485串行通讯电缆的功能测试（1）运行桌面三菱PLC的编程软件GXDeveloper，进入编程环境。（2）打开main1用户程序。（3）进行计算机与PLC控制器的通信连接。填写工作日志RS485串行通讯电缆测试步骤发现的问题及观察到的现象解决处理的方法2．FX2NPLC用户程序的下载（1）点击软件界面中在线=》PLC写入，选择要下载的PLC程序和参数，进行程序下载。（2）点击软件界面中在线=》监视，进入实时监控状态。（3）模拟操作PLC输入信号，观察监控现象。（4）强制PLC输出信号，观察步进电机运行情况。填写工作日志PLC程序下载操作步骤PLC软件进入监控环境操作步骤PLCI/O信号测试步骤及方法知识链接2FX2NPLC程序调试方法1．RS485串行通讯电缆测试方法首先用下载线将电脑和PLC相连，然后选择菜单栏中的在线，选择传输设置，如下图：图12FX2NPLC的通讯设置然后双击串行/USB设置按钮，弹出对话框，在对话框里选择合适的COM口和波特率，然后点击通讯测试直至通讯成功。2．PLC用户程序下载方法通过PLC编程软件将用户程序下载到FX2NPLC中，连接计算机和PLC之间的通信数据线，接通PLC的供电电源。双击桌面GXDeveloper运行图标，进入软件界面，打开main1用户程序，进入PLC编程环境。然后在PLC菜单中点击在线，选择PLC写入，一般我们选择参数+程序，然后单击执行，就可以将程序下载到PLC中。具体过程如下图所示：图13FX2NPLC的程序下载实训模块3工件加工台定位单元调试与运行1．编写PLC输入/输出地址分配表序号符号地址状态功能说明1左极限位2右极限位3左限位4右限位5起始位6加工位7取件位8手动左行9手动右行10启动按钮11工件检测开关12步进电机脉冲信号13步进电机方向信号14步进电机脱机信号2．系统整体调试及运行（1）分别操作手动左行和手动右行按钮SB1、SB2将工件台运行至各个限位。观察到的现象:（2）按下启动按钮SB3，将待加工工件放入工件台。观察到的现象:根据以上各项操作及所观察到的现象，请叙述工件加工台定位单元的工作原理。任务四提交数据和报告实训模块1填写实训报告实训报告课程名称：班级：实训项目：姓名：指导教师得分：日期：实训目的实训器材电气安装记录电气检查记录电气调试运行记录课后思考实训模块2步进驱动器参数清单（1）将实训中所使用的步进驱动器参数记录并粘贴到WORD文档上。（2）存储WORD文件，保存步进驱动器参数清单。实训模块3PLC程序清单（1）在计算机上运行GXDeveloper软件。（2）将调试好的PLC程序粘贴到WORD文档上。（3）存储WORD文件，保存PLC程序清单。实训考核与配分考核配分（100分）序号知识、能力考核点教师评价配分得分1掌握电气系统装调方法102掌握工作计划制定方法53理解步进电机的基本工作原理54掌握步进驱动器的接线及参数设置105理解PLC通信相关知识106电气系统安装、运行能力157电气系统编程、调试能力258电气系统测试分析能力109技术文档编制撰写能力10违规扣分（50）1仪器仪表损坏102严重违反带电操作规程153严重旷课、缺课154严重干扰课堂秩序10实训课后总结拓展知识——步进电机的工作原理步进电动机又称电脉冲马达、脉冲电机等，是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其特点是电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子的角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向，很容易用微机实现数字控制。一、步进电机的分类步进电机按其结构和工作原理，一般可分为：反应式（磁阻式）步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机，这几种结构在性能上各有特点。（1）反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。（2）永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。（3）混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。步进电机若按定子上绕组相数来分，共有二相、三相、四相和五相等系列。目前应用最为广泛的是两相混合式步进电机，占有绝大部分的市场份额，其优点是性价比高。该种电机的基本步距角为1.8°/步，但同一步进电机可通过配不同细分的驱动器以改变精度和效果，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°/微步）。步距角越小，控制精度越高。二、步进电机的工作原理无论是哪种结构的步进电机，其基本工作原理是一样的，下图是数字控制开环伺服系统中广泛应用的三相反应式步进电动机的工作原理示意图。图14步进电机工作原理示意图首先来介绍如下几个概念：单：每次切换前后只有一相绕组通电双：每次切换前后有两相绕组通电拍：从一种通电状态转换到另一种通电状态三相步进电动机绕组的通电方式一般有单三拍、单六拍及双三拍等几种。1．三相单三拍运行方式（单拍方式）每次只有一相绕组通电，使步进电机按顺时针或逆时针方向旋转，这种控制方式称为单相控制方式。对三相电动机又称单三拍控制方式，其绕组的通电顺序按A→B→C→A进行，其绕组波形如下图。图15三相单三拍运行时绕组电流波形2.三相双三拍运行方式（双拍方式）三相双三拍运行方式工作比较稳定，其绕组通电顺序按AB→BC→CA→AB,功耗比单拍方式相比增大近一倍，其绕组电流波形图如下图所示。图16三相双三拍运行时绕组电流波形3.三相六拍运行方式（单－双拍方式）三相六拍运行方式的绕组通电顺序按A→AB→B→BC→C→CA→A进行，其绕组电流波形如下图所示。图17三相六拍运行时绕组电流波形其绕组的通电顺序每切换一次步进电动机顺时针旋转15º，运行原理图如下图所示。图18步进电机三相六拍运行时的原理图4.步进电机转速的计算下图为三相反应式步进电动机结构示意图。图19三相反应式步进电机的结构图设转子的齿数为Z，则齿距为：τ＝360º/Z。每通电一次，转子就走一步，故步距角β为：………..………..（式1）式中m为相数，K为状态系数，单拍时K=1，双拍时K=2。若步进电动机的齿数Z＝40，若按三相单三拍运行时，其步距角为3°；若按三相六拍运行时，步距角为1.5°。由此可见，步进电动机的转子齿数Z和定子相数m愈多，则步距角β愈小，控制越精确。如果电脉冲的频率（电源频率）为f，单位为PPS（每秒脉冲数），则步进电动机转速n……（式2）可见，反应式步进电动机转速只取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。当步进电动机的通电方式选定后，其转速只与输入脉冲频率成正比，改变脉冲频率就可以改变转速，故可进行无级调速，调速范围宽。综上所述，步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件（温度、压力、冲击和振动等）变化的影响，只与控制脉冲同步。能按照控制的要求进行启动、停止、反转和改变速度。因此被广泛地应用于各种数字控制系统中三、步进电机及其驱动器的选择步进电机一般不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动