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步进电机实训报告

时间:2012-04-25


机电传动控制课程设计 ——实训报告 ——实训报告
姓名 班级 学号 专业

——2011 2011 年 11 月 28 日——2011 年 12 月 16 日
指导老师: 指导老师:王焕冶 何成 罗维甲 陆园


一、实验目的 二、实验内容 三、步进电机的基本原理 1.步进电机概况 步进电机概况 2.步进电机的一些基本参数 步进电机的一些基本参数 3.步进电机的一些特点 步进电机的一些特点 4.步进电机动态指标及术语 步进电机动态指标及术语



四、驱动器 WD3-007 的基本原理 驱动器 1. 电气参数
2. WD3-007 的主要特点 3.

连线及参数设置 控制信号接口

4、 、 5.

功能选择

6.功率及接口

7. 安装 8. 故障诊断 9. 故障排除 五、元器件选用及清单 六、步进系统电器原理图 七、PLC 梯形图及指令

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八、调试过程及结果

九、参考资料 十、实训小结

一、 实训目的
1.掌握步进驱动器的工作原理、控制方式 2.掌握步进驱动器各端口的功能以及接线方法 3.掌握步进电机的工作原理及驱动方式

二、 实验内容
1.分析系统,查阅相关资料 2.分析系统的功能,绘制步进系统电器原理图 3.系统接线 4.系统调试 5.故障排除

三、步进电机的基本原理
1.步进电机概况 步进电机概况 步进电机概
步进电机作为执行元件, 是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种 自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与 日俱增,在各个国民经济领域都有应用。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收 到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为 “步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲 个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频 率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机可以作 为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点,广泛 应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(vr) 、永磁式步进电机 、混合式步进电机(hb)和单相式步进电机等。 (pm)

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永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为 7.5 度 或 15 度; 反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为 1.5 度, 但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上 有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五 相:两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的 应用最为广泛,也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。

2.步进电机的一些基本参数: 步进电机的一些基本参数: 步进电机的一些基本参数
1)电机固有步距角: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。电机出厂时给出了一个步距角的值,如 86byg250a 型电机给出的 值为 0.9°/1.8°(表示半步工作时为 0.9°、整步工作时为 1.8°) ,这个步距 角可以称之为 “电机固有步距角” 它不一定是电机实际工作时的真正步距角, , 真正的步距角和驱动器有关。 2) 步进电机的相数:是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三 相、四相、五相步进电机。电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机 的步距角为 0.9°/1.8°、三相的为 0.75°/1.5°、五相的为 0.36°/0.72° 。 在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距 角的要求。如果使用细分驱动器,则‘相数’将变得没有意义,用户只需在 驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。 3)保持转矩:是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。 它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转 矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度 的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比 如,当人们说 2n.m 的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2n.m 的步进电机。

3.步进电机的一些特点: 步进电机的一些特点: 步进电机的一些特点
1)一般步进电机的精度为步进角的 3-5%,且不累积。 2)步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

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当步进电机转动时, 电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势; 频率越 高,反向电动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电 流减小,从而导致力矩下降。 3) 步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸 叫声。 步进电机有一个技术参数: 空载启动频率, 即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率, 如果 脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载的 情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加 速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速 从低速升到高速) 。 步进电动机以其显著的特点, 在数字化制造时代发挥着重大的用途。 伴随 着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在 更多的领域得到应用。

4.步进电机动态指标及术语: 步进电机动态指标及术语: 步进电机动态指标及术语
1)步距角精度:步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。 用百分比表示:误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同,四拍运行时应 在 5%之内,八拍运行时应在 15%以内。 2)失步:电机运转时运转的步数,不等于理论上的步数。称之为失步。 3)失调角:转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度,电机运转必存在失调角, 由失调角产生的误差,采用细分驱动是不能解决的。 4)最大空载起动频率:电机在某种驱动形式、电压及额定电流下,在不 加负载的情况下,能够直接起动的最大频率。 5)最大空载的运行频率:电机在某种驱动形式,电压及额定电流下,电机 不带负载的最高转速频率。 6)运行矩频特性: 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关 系的曲线称为运行矩频特性,这是电机诸多动态曲线中最重要的,也是电机 选择的根本依据。

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WD3四、驱动器 WD3-007
该驱动器主要驱动 2Nm ~ 12Nm 三相混合式步进电机, 输入电压 220VAC, 控制信号电压 5VDC,与百格拉电机配套性能最佳。

1.电气参数 电气参数
输入电压 输入电流 输出电压 输出电流 功 温 湿 气 耗 度 度 体 单相 220V 输入(-30%~+20%) ;频率:45~66Hz 小于 2.5 安培 3×325VAC 0.66~2.5A 功耗:80W; 内部保险:6.3A

工作温度小于 50℃;存放温度-40℃~70℃ 不能结露,不能有水珠 禁止有可燃气体和大量导电灰尘

2.WD3-007 的主要特点
·交流伺服工作原理,交流伺服运行特性,三相正弦电流驱动输出。 ·只要环境温度不超过 55℃,驱动器就可以正常工作。 ·电路板采取三防处理,有过热、过压、欠压、过流及电机相间短路保护 功能。 ·驱动器的输入电源是 220VAC,变化范围是:-30%~+20%。 ·电机和驱动器间仅用 3 根线,同交流异步电机一样,减少连线出错的可 能性。 ·几乎无共振和爬行,输出相电流可设置,带有十细分和半流功能特性, 噪声几乎与交流伺服电机一样。 ·比同样尺寸的反应式步进电机所产生的功率大 20%左右。 ·电机的扭矩与它的转速有关,而与电机每转的步数无关。 ·电机每转步数可依用户要求分别设定为 500、1000、5000、10000 步/ 转。

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·由于驱动器采用了正弦电流驱动,使电机的空载启动频率高达 4.3 至 5.3KHz。 ·电机上下电时,输出轴位置不变,给工作带来很大方便。

3.连线及参数设置 连线及参数设置

PULSE/CW+ PULSE/CWDIR/CCW+ DIR/CCWRESET+ RESETREADY READY

信号接口:PULSE+—电机输入控制脉冲信号; DIR+——电机转动方向控制信号; RESET+—复位信号,用于封锁输入信号; READY+—报警信号; PULSE-、DIR-、RESET-和READY-短接为公共地;

RDY TEMP

状态指示:RDY灯亮表示驱动器正常工作; TEMP灯亮表示驱动器超温;

FLT

FLT灯亮表示驱动器故障;
MOT.CURR

功能选择:MOT.CURR—设置电机相电流;
STEP1 STEP2 CURR.RED PULSE.SYS DC+ DCU V W PE L N PE

STEP1、STEP2—设置电机每转的步数; PULSE.SYS—可设置成“脉冲和方向”控制方式; 也可设置成“正转和反转”控制方式; CURR.RED—用于设置半流功能; 功率接口:DC+和DC-接制动电容 (用户使用时请与代理商联系); U、V、W接电机动力线,PE是地; L、N接供电电源;

WD3-007

图 1:WD3-007 面板图

4.控制信号接口 控制信号接口
4.1 控制信号定义 PULSE:脉冲信号输入端,每一个脉冲的上升沿使电机转动一步。 DIR:方向信号输入端,如 DIR 为低电平,电机按顺时针方向旋转;DIR 为高电平电机按逆时针方向旋转。 CW:正转信号,每个脉冲使电机正向转动一步。

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CCW:反转信号,每个脉冲使电机反向转动一步。 RESET: 复位信号,如复位信号为低电平时,输入脉冲信号起作用,如

果复位信号为高电平时就禁止任何有效的脉冲,输入信号无效,电机无保持 扭矩。 READDY:
3B 3A 3A 输入报警信号:READY 是继电器开关,当驱动器正常工作时继
step

电器闭合,当驱动器工作异常时继电器断开。继电器允许最高输入电压和电 脉宽定义:脉宽和脉冲间隔 PULES:

2.5us;

占 空 比:可选用任意占空比的脉冲; 流是:35VDC,10mA≤I≤200mA,电阻性负载。如用该继电器,要把他串联到 left right DIR: 2 1 2 输入信号:采用光耦隔离;

CNC 的某输入端。 当驱动器正常工作时继电器闭合, 外部 24VDC 通过继电器输
切换时间:转动方向的切换时间 3A-Minimum pulse width 2.5us 1-Hold time 2.5us 入到 CNC 输入端,否则外部 24VDC 无法输入到 CNC 3B-Minimum pulse pause 2.5us 2-Setup time 0us 0us;

输入端。

下面为脉冲、方向信号时序图:

图 2:脉冲和方向信号时序图 4.2

控制信号连接

上位机的控制信号可以高电平有效,也可以低电平有效。当高有效时,把 所有控制信号的负端连在一起作为信号地,低有效时,把所有控制信号的正 端连在一起作为信号公共端。 注意:公共端不能与大地(壳体)接到一起。 “PULSE.SYS”为控制方式选择开关(见图 1) ,两种状态对应两种控制方 式。

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下表中列出了控制信号高有效和低有效时的接线方式: PULSE.SYS 控制方式 高电平有效接线 PULSE+接正转信号 ON 正转和反转 DIR+接反转信号 PULSE-与 DIR-短接为信号地 PULSE+接脉冲信号 OFF 脉冲和方向 DIR+接方向信号 PULSE-与 DIR-短接为信号地 低电平有效接线 PULSE-接正转信号 DIR-接反转信号 PULSE+与 DIR+短接为公共端 PULSE-接脉冲信号 DIR-接方向信号 PULSE+与 DIR+短接为公共端

4.3 控制信号要求
输入信号:输入信号采用光藕输入,输入内阻是 150 欧姆,脉宽≥2.5μs 电压控制:2.5V≤高电平≤5.25V 之间, -5.25V≤低电平≤0.4V, Imax=30mA. 电流控制:7mA≤高电流≤25mA, -25mA≤低电流≤0.2mA,Umax=5.25V。

5.功能选择(用驱动器面板上的拨码开关实现) 5.功能选择(用驱动器面板上的拨码开关实现) 功能选择
MOT.CURR:设置输出相电流 为了驱动一台不同扭矩的步进电机, 可用旋转拨段开关来设置驱动器的输 出电流(有效值) ,各开关位置对应的输出电流有效值如下: 位置 电流 2 0.9 3 1.0 4 1.1 5 1.3 6 1.4 7 1.5 8 1.6 9 1.8 A 1.9 B 2.0 C 2.1 D 2.3 E 2.4 F 2.5

STEP1、STEP2:设置电机每转步数 驱动器 WD3-007 可将电机的步数分别设置为 500、1000、5000、10000 步。 用户可以通过驱动器正面板上的两个拨码开关 STEP1、STEP2 设置电机的 步数如下表: STEP1 状态 STEP2 状态 步数/转 OFF OFF 500 ON OFF 1000 OFF ON 5000 ON ON 10000

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CURR.RED:设定半流功能 半流功能是指电机带电静止 100ms 后, 驱动器输出电流降为额定输出电流 的 60%,用来防止电机发热。当拨码开关 CURR.RED 设置为“OFF”时,有半流 功能;当设置成“ON”时,无半流功能。

PULE.SYS:控制方式选择 拨码开关(PULSE.SYS)可设置成两种控制方式: ·当设置成“OFF”时,为“脉冲和方向”控制方式; ·当设置成“ON”时,为“正转和反转”控制方式。

6.功率接口 6.功率接口
U、V、W、PE:驱动器和电机间连接 电机相间电压是 3×325VAC,电机电缆最长为 50 米,电缆横截面不小于 1.5 平方毫米, 电缆的屏蔽层一定要与电机的壳体和驱动器壳体连接, 驱动器 地和电机地与它们各自的壳体是相连的,连接驱动器和电机间的动力线和所 有地线均靠螺钉来固定,这些线的两端要用金属套管套好,然后用螺钉固定, 要改变电机的转动方向可以通过互换电机的两相接线来实现。下图分别是三 根和六根输出线电机的接线图:

电机地 电机

驱动器

黄色 绿色 橙色 红色 白色 蓝色 电机地 电机端

驱动器

图 3:驱动器和电机间的连线图 L、N、PE:驱动器电源 电源电压是 220VAC 输入时,最大电流是 3A。电源线横截面≥1.5 平方毫 米, 尽量短。 驱动器的 L 端和 N 端接供电电源, 同时要串接一个 6.3A 保险丝。

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7.安装 7.安装
驱动器在开关柜中为壁挂式安装, 下图是驱动器的外型尺寸, 正常工作时 其周围要有 20mm 的空间,不能放在其它发热的设备旁,要避免粉尘、油雾、 腐蚀性气体,湿度太大及强振动场所。
5.5 5.5 12

144 11

8

WD3-007

64

40

184

图4

WD3-007 驱动器地脚安装图

8.故障诊断 8.故障诊断
状态灯指示: RDY:绿灯亮,驱动器正常工作。 FLT: 红灯亮, 电机相间短路时, 过压时 (大于 410V) 和欠压时 (小于 200V) 亮。 TEMP:红灯亮,驱动器超温报警(散热片温度大于 75℃) 。

9.故障及排除 9.故障及排除
故 障 原 因 解决措施 检查电源连线 提高电源电压 改正电机连线 使 RESET 输入不起作用 调整脉冲宽度及信号的电 无脉冲信号输入 扭矩 相序接反 电机转动方向错误 方向信号输入不对 改变方向设定 平 互换任意两相连线

电源接错 LED 不亮 电源电压低 电机不转,且无保持 扭矩 电机不转,但有保持 电机连线不断 RESET 输入信号起作用

151

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相电流设置过小 加速度太快 电机扭矩太小 电机堵转 驱动器与电机不匹配

正确设置相电流 减小加速度值 排除机械故障 换合适的驱动器

五、元器件选用及清单

元气件选用
元器件名称 380/220v 变压器 三菱 PLC 百格拉 WD3-007 驱动 器 220V 空气开关 380V 空气开关 步进电机 导线 常开按钮 常闭按钮 DZ10 IST-A-100 SL130BYG350C ~ XB2-BA42 XB2-BA42 1只 1只 1只 若干 3只 1只 型号 BK-100 FX-40MT WD3-007 数量 1只 1只 1只

元气件清单
电源:380V 交流电,因为使用的电机功率较大,为三相交流电机,所以选用 380V 交流电源。 变压器:所选用的变压器是 380V/220V 变压器。因为 PLC 和步进驱动器使用 的都是 220V 电源,所以选用 380V/220V 变压器。 5V 直流电源:PLC 与步进驱动器互相连接使用 5V 直流电,因为步进驱动器上 位机控制信号为 5V 时可以直接输入到驱动器。在形成 5V 直流电源时,我们

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组使用了三个 1.5V 的干电池。 220V 空气开关:为了使电路短路、断路等现象发生的时候对整个线路进行保 护,并且控制驱动器和 PLC 的通断,处于安全性考虑,我们组选用了 220V 空 气开关。 PLC:考虑输入、输出接口的个数,以及经济成本和我们所学习的可编程控制 技术,我们组选用的是三菱系列的 FX-40MT 可编程控制器。 电动机:在选用步进电机的时候,我们考虑到了经济成本等因素,在实验室 已有的条件下,我们选用了步进电机,因为我们所使用的步进驱动器主要驱 动 2Nm ~ 12Nm 三相混合式步进电机,输入电压 220VAC,控制信号电压 5VDC,与百格拉电机配套性能最佳。所以我们选用了实验室已有的百格拉电 机。 驱动器:在实验室已有的条件下,选用了德国百格拉生产的步进驱动器,具 体内容见后面页详细内容。 按钮:为了使 PLC 能够控制步进电机的正常运转,我们选用了三个常开按钮 和一个长闭按钮,采用了点动式控制,在 PLC 程序里面实现自锁。 导线:为了使各元器件运行正常,并且考虑到经济因素,我们在实验室已有 的条件下,选用了红、黄、蓝、黑、黄绿 5 种颜色的导线。

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六、步进系统电器原理图

七、PLC 梯形图及指令

1、梯形图 、

2、指令 0 1 LD OR X000 M0 42 47 ZRST ZRST Y000 M0 Y004 M4

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2 3 4 5 8 9 10 17 18 19 21 24 25 26 27 28 29 30 31 33 34 35 36 37 39 40

AND OUT LD MC LD OR PLSY OUT LD PLS OUT LD MPS ANI SET MPP AND RST RST LD OUT LDI OUT MCR LDI RST

M0 MO M0 N0 X001 M1 K1000 M1 X002 M3 C0 M3 K2 K0 Y000 M100

52

END

C0 M2

C0 M2 C0 M2 Y001 X003 Y003 N0 X003 C0

八、调试过程及结果
过程: 六、对裸露在外面的导电体,比如螺丝螺母进行包胶,防止触电等危险事故发生。 七、检查导线是否有松动、断线、连接不牢、接触不良、短路等错误连接现象发生。

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八、我们检查线路是否了连接无误。 九、请指导老师对我们的线路进行进一步核查,若无误,则准备上电,用万用表检查元 器件两端的电压是否和我们计算得来的电压相符合,若不相符合,则首先检查与其 相连的导线是否连接完整无误。若导线连接有误,则更换导线。否则,对元器件的 质量提出质疑,进一步检测或更换。 十、通电及检查完毕后,用简易式 PLC 器件输入 PLC 程序进行调试。 十一、程序输入完毕后,开始调试。 按下 SB1 总启动,PLC 程序待命。 按下 SB2,PLC 程序开始运行,电机在默认情况下正转。 按下 SB3,控制电机的正反转,按一下,电机反转,再按一下,电机正转,依次往 下类推。 按下 SB4,控制电机的停止。 十二、调试完成后,关闭电源,以防出现触电等人身安全事故。 结果:在我们全组人的通力合作下,我们成功地实现了步进电机启动、正转、反转、停 止功能。

九、参考资料
[1 ] CPM2A 可编程控制器操作手册1OMRON 公司,2000 [2 ] CPM1A/ 2A/ 2C/ SRM1 可编程控制器编程手册( 英文) 1OMRON 公司,2000 [ 3 ] 宣财鑫1PLC 脉冲控制步进电机技术1 机车车辆工艺,2002 [4 ] 陈维山,赵杰1 机电系统计算机控制1 哈尔滨:哈尔滨工业 大学出版社,1999

十、实训小结

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