1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 步进电机在定位控制系统的应用设计 （ FX2N） 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 数控定位是指数控机床的运动部件在电气控制系统控制下运动到达目的位置，定位控制是数控机床区别于普通机床的一 个重要功能。 本系统采用数控钻孔机为模型进行定位控制系统的设计和研究，结合 PLC 和步进电机两者的优点来进行控制。通过 PLC 控制脉冲的发生个数进一步控制步进电机的步进角度，实现工件的前进后退和正反转，从而达到钻孔的精确定位。 系统硬件部分包括 PLC、变频器、步进电机和触摸屏，其中
2、 PLC 和变频器为三菱公司生产的型号为 FX2N 32MT 和 FR-S520SE-1。触摸屏选用台达公司生产的DOP-A57GSTD，用于系统运行实时监控和参数设置。 软件部分根据机床的工作流程，列出框架和流程图，然后用可编程控制器完成程序的 设计。 关键词： PLC；变频器；步进电机；触摸屏 - 2 - Abstract CNC machine positioning refers to the moving parts in the electrical control system of the destination location under the control of th
3、e movement. Positioning control is different from the general CNC machine as one of the most important feature. The system uses a CNC drilling machine as a model for positioning control system design and research. combined with both the advantages of the PLC and stepper motor to control. By the PLC
4、control pulse, so as to control the number of stepper motor operating angle, to achieve workpiece retreat and rotating, realize accurate location of the drilling. Hardware part including PLC、 inverter、 stepper motos and touch screen. This system selection of the type of FX2N-32MT.and the type of inv
5、erter is FR-S520SE-1 to achieve CNC drilling machine positioning control. Touch screen use DOP-A57GSTD produced by Delta to parameter setting and real-time monitoring. The software part of the process are programming by process flow diagram. Key Words: PLC; inverter; stepper motor; touch screen - 3
6、- 目 录 1 引言 .1 2 机床总体设计 .2 2.1 机械结构原理图 .2 2.2 工艺流程设计 .2 3 步进电机控制 .4 3.1 步进电机 .4 3.1.1 步进电机的分类 .4 3.1.2 步进电机的特点 .4 3.1.3 步进电机的主要性能指标 .5 3.1.4 二相步进电动机 .6 3.2 步进驱动电路 .6 3.2.1 步进电机的典型驱动方式 .7 3.2.2 恒流斩波驱 动方式 .8 4 液压控制 .10 5 电气控制系统设计 . 11 5.1 硬件 . 11 5.1.1系统框图 . 11 5.1.2 电机控制原理图 .12 5.1.2接线图 .13 5.2 软件 .15
7、 5.2.1程序流程图 .15 5.2.2 程序 .16 5.2.3人机界面设计 .18 6 制作和调试 .20 7 结论 .21 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .22 附录 1 系统实物图 .23 附录 2 电气控制原理图 .24 附录 3 PLC端口接线图 .25 附录 4 程序命令 .26 - 1 - 1 引言 随着电子信息技术的发展，产品竞争日趋激烈，高效率、高精度手段的需求不断升级。数控机床有着操作简单，加工进精度，生产效率高等优点被广泛应用于机械加工领域。定位系统在机械加工上显得尤为重要，因此提高定位精度一直是控制领域研究的热点 1。 步进电机是将电脉冲装换成机械角位
8、移的一种装置，每个脉冲使转轴步进一个步进 角的增量，其输出角位移与输入脉冲数成正比，转速与输入脉冲成正比，而且步进电机只有周期性误差而无累积误差等特点，使得步进电机的控制方式简单化，且有着较高的定位精度。因此步进电机广泛应用于数字定位控制中。 PLC 作为广泛应用于自动化领域的控制器，功能越来越强大、性能也越发先进。为了配合步进电机控制，许多 PLC 都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，能够很好地对步进电机进行直接控制 2。步进电机定位控制系统是步进电机与 PLC 相结合的控制系统，以 PLC 为主控单元，步进驱动器为驱动单元。通过 PLC控制脉冲个数 ，控制步进电机的步进角度，实现
9、精确地定位控制。通过结合触摸屏运用，使操作变得简单易懂，并且提高了控制系统的可靠性。 本系统采用软硬件结合实现定位控制。硬件部分由型号为 FX2N 32MT 的 PLC、台达人机界面 DOP-A57GSTD 和三菱 FR-S520SE-1 变频器组成，实现对钻床的运动控制。软件部分根据机床的工作流程，列出框架和流程图，然后用可编程控制器完成程序的设计，并结合触摸屏使系统操作更简单。 - 2 - 2 机床总体设计 2.1 机械结构原理图 数控定位打孔机的机械机构主要由液压夹紧装置、分度定位装置和钻头装置三个部分组成。液压夹紧装置由夹紧液压缸和工件夹具组成；分度定位装置由分度步进电机、传动轴、分度
10、耦合齿轮、弹性联轴器和支撑架等部分组成；钻头装置则由弹性联轴器、进给丝杆、传动螺母、钻孔耦合齿轮钻头和进给步进电机等组成。系统具体结构示意图如下图 2-1 所示。 1.分度步进电机 2弹性联轴器 3.夹紧液压缸 4.工件夹紧组件 5.钻头 6.钻孔耦合齿轮 7.变频电机 8.弹性联轴器 9.工进步进电机 10.工作台 11.快退终点 12.机械归零 13.传动螺母 14.进给丝杆 15.加工件 16.分度耦合齿轮 17. 传动轴 图 2-1 系统结构示意图 2.2 工艺流程设计 本系统研究的是步进电机定位控制功能在数控钻孔机床电气控制系统上的应用。本文采用两台步进电机进行定位控制，分别为分度步
11、进电机和工进步进电机；采用夹紧液压缸对工件进行夹紧或松开的控制，以减小定位误差； 通过变频器来控制步进电机，从而带动钻头对工件进行钻 孔并控制钻孔的深浅度。本系统的工艺流程如下图 2-2 所示。 - 3 - 液 压 缸松 开液 压 缸夹 紧钻 头 工 进（ 钻 孔 ）钻 头快 退分 度 步 进 电 机转 一 个 孔 位工 进 步 进电 机 快 退进 入 下 一 循 环完 成一 个 工 件图 2-2 工艺流程图 以下是各部件的控制作用： 1) 分度步进电机：分度步进电机由 PLC高速脉冲输出口通过步进电机驱动器控制，控制工件的正反旋转运动 ,实现工件孔位置的定位。 2) 工进步进电机：控制钻头水
12、平运动的电动机，由 PLC 高速脉冲输出口跟一个普通输出口控制其运动和正反转，通过钻头的前进和后退实现了钻头的定位。 3) 液压泵电机：交流接触器控制液压泵电动机正反转，电动机驱动油泵给液压装置压力油 ,以实现工件的夹紧和放松，以减少定位误差。 4) 变频电机控制：是控制钻头转动快慢的电机，用按触器控制其正转，热继电器作为分度电动机的过载及断相保护。 - 4 - 3 步进电机控制 3.1 步进电机 步进电 机又称为脉冲电机，它是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制元件。国外一般称 Stepper motor, Pulse motor, Stepper servo 等等。它是一种受电脉冲信
13、号控制的无刷式直流电机，每一个脉冲使转轴步进一个步距角增量，其输出角位移与输入脉冲数成正比，转速与输入脉冲频率成正比。 步进电机控制系统主要由步进电机、步进驱动器和脉冲信号组成。步进驱动器是由 脉冲分配器和功率放大器 组成。它的作用就是把输入脉冲装换成环形脉冲，便于控制步进电机。驱动器将控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的步 距角，控制系统发出驱动方向信号控制输出脉冲相序。步进电机的控制方法简单，有较高的定位精度，因此步进电机广泛应用于数字定位控制中。 3.1.1 步进电机的分类 从结构特点上进行分类，一般常用的步进电动机主要有三种类型 3。 1）反应式步进电动机（ VR 型）： 一般为三相
14、，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。 转子结构由软磁材料或钢片构成。当定子线圈通电后产生磁力，吸引转子使其旋转。该电机在无励磁时不会产生磁力，因此不具备保持力矩。 VR 型电机转子惯量小，适用于高速下运行。 2）永磁式步进电动 机（ PM 型）： 一般为两相，转矩和体积较小，步进角般为7.5 度 或 15 度 ，它的转子采用了永久磁铁。由于采用板金结构，其价格便宜，属于低成本型的步进电机。 3）混合式步进电动机（ HB 型）：此类步进电机是将 PM 型和 VR 型组合构成的电机，它结合了两者的优点，它具有高精度、大转矩和步进角小等许多优点。这种步进电机应用最为广泛
15、。 3.1.2 步进电机的特点 1）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没- 5 - 有累计误差，具有良好的跟随性 4。 2）速度主要取决于输入的脉冲的频率。因此 ,可以根据该工序要 求的进给速度 ,确定其 PLC 输出的脉冲频率。 3）步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。 4）速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。 5）步进电机的力矩会随转速的升高而下降：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
16、力矩下降。 3.1.3 步进电机的主要性能指标 步距角是指步进电动机定子绕组每改变一次通电方式，电动机转子所转过的角度。步距角 可按下列公式计算 360mzk (3-2) 式中： m 为步进电动机定子绕组的相数； z 为步进电动机转子的齿数； k 为定子绕组通电方式系数（相邻两次通电的相数一样，取 k =1，如三相单三拍、三相双三拍工作方式；反之取 k =2，如三相六拍）。 步距误差是理论步距角与实际步距角之差。它主要由步进电动机齿距制造误差、定子与转子间气隙不均匀、各相电磁转矩不均匀等因素造成。步距角误差直接影响执行部件的定位精度及步进电动机的动态特性。不同运行拍数其值也不同，四拍运行时应在
17、 5%之内，八拍运行时应在 15%之内。 步进电机的转矩分为 最大静力矩 、 静 态 转矩 和动态转矩。静转矩即保持力矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩 。 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 。 最大静力矩是指单相通电时，定子绕组通以额定电流的情况下，步进电动机产生的最大电磁力矩。在选择 步 进电动机时，一般要保证最大静力矩是转轴上负载阻力矩的 2 3 倍 。动态转矩是指电动机转子运行的过渡过程尚未达到稳定时- 6 - 电动机所产生的力矩，也就是
18、某一频率下的最大负载转矩。 步进电动机的工作频率一般包括启动频率、制动频率和连续运行频率，对同样的负载转矩来说，正反向的启动频率 和制动频率是一样的，所以一般技术数据中只给出启动频率和连续运行频率。启动频率是指在一定负载转矩下能够不失步地启动的最高脉冲频率。启动频率的大小与驱动电路和负载大小有关，步距角越小，负载（包括负载转矩和转动惯量）越小，则启动频率越高。步进电动机的连续运行频率是指步进电动机启动后，当控制脉冲频率连续上升时， 保证其 不失步运行的最高频率，其值与负载有关 5。 3.1.4 二相步进电动机 本系统采用两相八拍式步进电动机， 57BYG 系列感应子式步进电机。 感应子式步进电
19、机与传统的反应式步进电机相比 较 ，结构上转子加有 永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子 磁极 只需提供变化的磁场，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小 6。 该定位系统采用的两相步进电机是每运行八步为一个循环、每步为 45的半步运行过程。定子绕组的通电顺序为： A A B B A B A A B B A B A 两相步进电机按 八拍运行时 ， 步距角为 =360 /（ 50*2*4） =0.9 （俗称半步）。 3.2 步进驱动电路 步进电动机不能直接接到交直流 电源上工作，必须使用专门的设备 步进电机驱动器。步进电机驱动系统的性能，除了与电动机本身的性能有关以外，很大程度上取决于驱动器的优劣。 步进电机驱动电源的主要构成如下图 3-1 所示 7。一般有控制器、分配器和功率放大器这三个部分组成。
