PLC与步进伺服快速入门与实践

章节摘录

插图：第1章 步进电动机及驱动器概述步进电动机是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。电动机的转速和停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，即给电动机加一个脉冲信号，电动机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电动机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电动机来控制变得非常简单。本章主要介绍步进电动机发展历程和展望、步进电动机分类、步进电动机驱动器以及电气外部特性。1.1 步进电动机的发展工业生产对步进电动机性能的要求越来越高，特别是高性能稀土等新型永磁材料的出现以及电子电力器件的飞速发展，许多性能更为优越的步进电动机也随之纷纷问世。步进电动机已经有70年的发展历史，逐渐发展成以混合式和磁阻式为主的产品格局。其中混合式步进电动机是应用最为广泛的，总体性能也优于其他步进电动机品种。目前，市场上最常见的产品是采朝双极性斩波驱动器的混合式步进电动机。1.1.1 步进电动机现状自问世以来，步进电动机很快确定了在开环高分辨率的定位系统中的主导地位。在工业技术高速发展的今天，还未有适合的取代产品出现。虽然步进电动机已被广泛应用，但并不能像普通的直流电动机、交流电动机那样在常规电气控制电路中使用。它须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统，涉及很多机械和电气控制方面的知识。步进电动机的最大优势是无累积误差，使得在速度、位置等控制领域用步进电动机来控制变得简单和经济。步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，在未超载的情况下，电动机转速与停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，从而决定了它在一些要求不是很高的场合有广泛的用途，运行可靠方便。

前言

早在20世纪60年代，步进伺服系统就已经开始出现。20世纪80年代后，随着电动机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术的快速发展，步进伺服系统得到了迅速发展，其应用的广泛程度已经对人类社会产生了巨大影响。当今，伺服控制器和步进电动机已经开始向着高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的方向发展。目前完整地介绍步进伺服控制系统综合应用的书籍不多，针对这类状况，本书系统地阐述了各类步进伺服系统的基本概念、原理、设计方法及综合应用实例。本书通过三部分来讲述，分别为基础篇、提高篇和实践篇。基础篇涵盖了第l章、第2章、第3章和第4章。第1章概述了步进电动机及驱动器的发展历史、分类方法以及步进电动机驱动器的基础知识。第2章讲解各种步进电动机工作原理，它是学习步进电动机的基础理论知识。第3章对伺服系统进行了概述，主要讲述了伺服系统的发展、功能、结构组成、分类及特点。第4章以第3章为基础，分别阐述了各种类型伺服系统的工作原理，如步进伺服系统原理、电一液伺服系统原理、气动伺服系统原理、直流伺服系统原理、交流伺服系统原理、数字伺服系统原理、各类伺服系统结构框图，加深了读者对伺服系统组成原理的认识。提高篇包含了第5章和第6章。第5章阐述了步进电动机系统的设计方法，逐一介绍了步进电动机特性、控制系统、参数测试、参数选型、数学模型、振动与噪声及阻尼处理。第6章是本书的重点，主要对伺服系统的设计进行了详细描述，深入细致地分析了每一类伺服系统的硬件选型、数学模型以及元件特性，强调了设计过程中需要特别注意的事项，为广大工程设计人员提供了各类伺服元件的引脚图和规格表等参考数据。实践篇中包括了第7章、第8章和第9章。第7章介绍了西门子工程常用步进电动机控制的实例，分别为S7-200PLC驱动三相混合式步进电动机、S7.3 00PLC驱动三相混合式步进电动机以及工控机驱动混合式步进电动机，重点讲解了步进电动机选型、电气控制原理图和对应的步进电动机控制程序。’第8章是以三菱步进伺服系统为例着重讲述三菱伺服系统模块中应用最广泛的MR-J2S-A伺服驱动器，分别从结构功能、控制模式、工作模式、参数设置等方面对MR-J2S-A伺服驱动器进行了描述，读者可以全面、深刻地掌握三菱伺服系统的应用设计技术。第9章从三个实例对数控伺服系统、电一液伺服系统以及步进伺服系统分别进行了说明：首先介绍了西门子数控伺服系统840D在轧辊车床上的应用，接着阐述了电一液伺服系统在仿形铣床上的应用，最后分析了基于DSP的混合式步进电动机伺服系统的应用；这三类实例特点突出，代表性强，图表丰富，内容简单易懂，读者可以进一步熟悉掌握步进伺服系统设计方法及其在工程上的应用。

书籍目录

基础篇第1章　步进电动机及驱动器概述/3  1.1　步进电动机的发展/3    1.1.1　步进电动机现状/3    1.1.2　步进电动机发展趋势/4  1.2　步进电动机的分类/4    1.2.1　按运动方式分类/4    1.2.2　按电动机输出转矩分类/6    1.2.3　按转矩产生的工作方式分类/6    1.2.4　按励磁组数分类/7    1.2.5　按电流极性分类/7  1.3　步进电动机驱动器/8    1.3.1　驱动器系统组成/9    1.3.2　驱动器参数说明/9    1.3.3　驱动器使用方法/10    1.3.4　驱动器连接电路/12  1.4　本章小结/14第2章　步进电动机工作原理/15  2.1　磁阻式步进电动机/15    2.1.1　磁阻式步进电动机的结构/15    2.1.2　磁阻式步进电动机的运行方式/15    2.1.3　小步距角步进电动机/18    2.1.4　反应式步进电动机的结构形式/19  2.2　永磁式步进电动机/20    2.2.1　单定子结构/21    2.2.2　两定子结构/22  2.3　混合式步进电动机/22    2.3.1　永磁感应子式步进电动机的结构/22    2.3.2　永磁感应子式步进电动机工作原理/23  2.4　特种步进电动机/24    2.4.1　特微型永磁步进电动机/24    2.4.2　机电混合式步进电动机/28    2.4.3　直线和平面步进电动机/30  2.5　本章小结/33第3章　伺服系统/34  3.1　伺服系统的发展/34    3.1.1　液压及气动伺服系统的发展/34    3.1.2　电气伺服系统的发展/35  3.2　伺服控制系统结构功能/36    3.2.1　伺服系统结构/37    3.2.2　伺服系统功能/38  3.3　伺服控制系统的组成/38    3.3.1　自动控制理论中的伺服系统/39    3.3.2　电气控制系统中的伺服设备/40    3.3.3　电-液控制系统中的伺服设备/40    3.3.4　电-气控制系统中的伺服设备/40  3.4　伺服控制系统分类/41    3.4.1　按参数特性分类/41    3.4.2　按驱动元件类型分类/43    3.4.3　按控制原理分类/44    3.4.4　按机床加工系统分类/45  3.5　伺服控制系统的特点/46    3.5.1　伺服系统精度/46    3.5.2　伺服系统稳定性/47    3.5.3　响应及宽调速特性/47  3.6　本章小结/47第4章　伺服系统原理/49  4.1　步进式伺服系统原理/49    4.1.1　控制脉冲发生器/49    4.1.2　环分电路/50    4.1.3　驱动电路/51    4.1.4　步进电动机/52  4.2　电-液伺服系统原理/54    4.2.1　伺服阀/54    4.2.2　液压马达/56    4.2.3　液压缸的基本原理/57    4.2.4　反馈传感器/58  4.3　气动伺服系统原理/59    4.3.1　气动伺服系统构成/59    4.3.2　气动伺服系统气路原理/59  4.4　直流伺服系统原理/60    4.4.1　整流驱动装置原理/61    4.4.2　直流PWM伺服驱动装置的工作原理/61    4.4.3　直流系统控制电路原理/62    4.4.4　测速元件工作原理/63  4.5　交流伺服系统原理/63    4.5.1　伺服控制单元基本原理/64    4.5.2　功率放大单元原理/65    4.5.3　感应电动机原理/66    4.5.4　反馈元件原理/66  4.6　数字伺服系统原理/67    4.6.1　控制计算机及接口原理/68    4.6.2　模拟低通滤波器原理/68    4.6.3　自整角机-数字转换器原理/69  4.7　本章小结/70提高篇第5章　步进电动机系统设计/73  5.1　步进电动机特性/73    5.1.1　静态特性/73    5.1.2　运行特性/77    5.1.3　频率特性/81    5.1.4　机械谐振与阻尼特性/84    5.1.5　步距误差特性/87  5.2　控制系统/87    5.2.1　开环系统/88    5.2.2　闭环系统/90  5.3　参数测试/90    5.3.1　静态参数测试/90    5.3.2　动态参数测试/95  5.4　参数选型/97    5.4.1　参数估算/97    5.4.2　参数设定/101  5.5　数学模型/105    5.5.1　状态变量与传递函数/105    5.5.2　动态特性模型/115    5.5.3　加减速模型/122  5.6　振动与噪声及阻尼处理/124    5.6.1　振荡和失步/125    5.6.2　振荡和噪声/126    5.6.3　低频振荡的抑制/126  5.7　本章小结/129第6章　伺服系统设计/130  6.1　伺服系统需求分析/130    6.1.1　伺服系统需求/130    6.1.2　伺服系统优点/131    6.1.3　伺服系统技术要求/131  6.2　伺服系统总体方案设计/132    6.2.1　伺服系统总体方案初步制订/132    6.2.2　伺服系统稳态设计/133    6.2.3　建立系统数学模型及动态设计/133  6.3　电-液伺服系统分析与设计/134    6.3.1　电-液伺服系统总体方案设计/134    6.3.2　电-液伺服系统稳态设计/135    6.3.3　电-液伺服系统数学模型/140    6.3.4　电-液伺服系统动态分析/142  6.4　气动伺服系统设计/143    6.4.1　气动伺服系统总体方案设计/143    6.4.2　气动伺服系统稳态设计/146    6.4.3　气动伺服系统数学模型/150    6.4.4　气动系统动态分析/152  6.5　直流伺服系统设计/152    6.5.1　直流伺服系统整体设计/152    6.5.2　直流伺服系统稳态设计/153    6.5.3　直流伺服系统数学模型/161    6.5.4　直流伺服的动态分析设计/163  6.6　交流伺服系统设计/164    6.6.1　交流伺服系统总体设计/164    6.6.2　交流伺服系统稳态设计/165    6.6.3　交流伺服系统动态数学模型/175    6.6.4　交流伺服系统动态分析/178  6.7　全数字伺服系统/178    6.7.1　全数字伺服系统总体设计/178    6.7.2　全数字伺服系统稳态设计/180    6.7.3　数字控制程序设计/189  6.8　本章小结/189实践篇第7章　西门子工程常用步进电动机控制实例/193  7.1　S7-200 PLC驱动步进电动机实例/193    7.1.1　S7-200 PLC下步进电动机控制系统功能说明/193    7.1.2　系统硬件选型与搭建/194    7.1.3　电气控制原理图/197    7.1.4　系统软件程序设计/199  7.2　S7-300 PLC驱动步进电动机实例/201    7.2.1　S7-300 PLC下步进电动机控制系统功能说明/202    7.2.2　系统硬件选型与搭建/203    7.2.3　电气控制原理图/205    7.2.4　系统软件程序设计/206  7.3　工控机驱动步进电动机实例/211    7.3.1　工控机控制下步进电动机控制系统功能说明/211    7.3.2　系统硬件选型与搭建/212    7.3.3　电气控制原理图/213    7.3.4　系统软件程序设计/214  7.4　本章小结/215第8章　三菱步进伺服系统的控制应用技术/216  8.1　三菱伺服系统模块组成/216    8.1.1　MR-J2S-A伺服驱动器结构与功能/216    8.1.2　伺服电动机原理及其功能/219  8.2　三菱交流伺服系统各端子功能以及内部电路/220    8.2.1　三菱交流伺服系统外围接线/221    8.2.2　三菱交流伺服系统各端子及功能说明/222    8.2.3　三菱伺服系统接口说明/223  8.3　三菱伺服系统的工作模式/227    8.3.1　三菱MR-J2S-A伺服系统位置控制模式/228    8.3.2　三菱MR-J2S-A伺服系统速度控制模式/234    8.3.3　三菱MR-J2S-A伺服系统转矩控制模式/237  8.4　三菱伺服系统的设计/238    8.4.1　三菱MR-J2S-A伺服系统控制模式选择/239    8.4.2　三菱伺服电动机型号选择/240    8.4.3　三菱伺服系统其他配件规格选择/248    8.4.4　三菱伺服电气接线图/250    8.4.5　三菱伺服软件选择/255    8.4.6　三菱伺服系统MR-J2S-A基本参数设置/255  8.5　本章小结/259第9章　步进伺服系统综合应用实例/260  9.1　西门子数控伺服系统在轧辊车床的应用/260    9.1.1　西门子840D数控伺服系统及轧辊车床基本概念/260    9.1.2　西门子840D数控伺服系统硬件配置/263    9.1.3　基于西门子840D系统的轧辊车床软件配置/277  9.2　电-液伺服系统在仿形铣床上的典型应用/288    9.2.1　仿形铣床的基本概念/288    9.2.2　电-液伺服系统下仿形铣床的基本参数/290    9.2.3　仿形铣床的基本控制方式/292    9.2.4　数字随动铣床/293    9.2.5　液压伺服下仿形铣床的检修方式/294  9.3　基于DSP的混合式步进电动机伺服系统/296    9.3.1　基于DSP的混合式步进电动机系统功能说明/296    9.3.2　系统硬件设计/297    9.3.3　系统软件设计/305  9.4　本章小结/317

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《PLC与步进伺服快速入门与实践》是工业自动化实用技术丛书之一。

作者简介

《PLC与步进伺服快速入门与实践》从工程应用角度出发，首先介绍步进与伺服的基础知识，包括步进电动机和伺服系统的概念及其工作原理，然后详细介绍三菱、西门子等品牌步进电动机与伺服系统及其功能，最后通过多个实例，深入浅出地讲解步进与伺服在工程实践中的应用方法。书中的每个实例均详细地给出了设计思路、设计步骤以及程序代码。《PLC与步进伺服快速入门与实践》可作为PLC步进与伺服工程人员的自学工具书，也可作为大专院校电气工程及自动化、工业自动化、应用电子、计算机应用、机电一体化及其他相关专业的参考用书。

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