PLC與步進(jìn)伺服快速入門與實(shí)踐

前言

早在20世紀(jì)60年代，步進(jìn)伺服系統(tǒng)就已經(jīng)開始出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代后，隨著電動(dòng)機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，步進(jìn)伺服系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，其應(yīng)用的廣泛程度已經(jīng)對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生了巨大影響。當(dāng)今，伺服控制器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)開始向著高性能、高速度、數(shù)字化、智能型、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。目前完整地介紹步進(jìn)伺服控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用的書籍不多，針對(duì)這類狀況，本書系統(tǒng)地闡述了各類步進(jìn)伺服系統(tǒng)的基本概念、原理、設(shè)計(jì)方法及綜合應(yīng)用實(shí)例。本書通過(guò)三部分來(lái)講述，分別為基礎(chǔ)篇、提高篇和實(shí)踐篇?；A(chǔ)篇涵蓋了第l章、第2章、第3章和第4章。第1章概述了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展歷史、分類方法以及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)知識(shí)。第2章講解各種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理，它是學(xué)習(xí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)理論知識(shí)。第3章對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了概述，主要講述了伺服系統(tǒng)的發(fā)展、功能、結(jié)構(gòu)組成、分類及特點(diǎn)。第4章以第3章為基礎(chǔ)，分別闡述了各種類型伺服系統(tǒng)的工作原理，如步進(jìn)伺服系統(tǒng)原理、電一液伺服系統(tǒng)原理、氣動(dòng)伺服系統(tǒng)原理、直流伺服系統(tǒng)原理、交流伺服系統(tǒng)原理、數(shù)字伺服系統(tǒng)原理、各類伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，加深了讀者對(duì)伺服系統(tǒng)組成原理的認(rèn)識(shí)。提高篇包含了第5章和第6章。第5章闡述了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，逐一介紹了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特性、控制系統(tǒng)、參數(shù)測(cè)試、參數(shù)選型、數(shù)學(xué)模型、振動(dòng)與噪聲及阻尼處理。第6章是本書的重點(diǎn)，主要對(duì)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)描述，深入細(xì)致地分析了每一類伺服系統(tǒng)的硬件選型、數(shù)學(xué)模型以及元件特性，強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)過(guò)程中需要特別注意的事項(xiàng)，為廣大工程設(shè)計(jì)人員提供了各類伺服元件的引腳圖和規(guī)格表等參考數(shù)據(jù)。實(shí)踐篇中包括了第7章、第8章和第9章。第7章介紹了西門子工程常用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的實(shí)例，分別為S7-200PLC驅(qū)動(dòng)三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、S7.3 00PLC驅(qū)動(dòng)三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及工控機(jī)驅(qū)動(dòng)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，重點(diǎn)講解了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選型、電氣控制原理圖和對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序?！?章是以三菱步進(jìn)伺服系統(tǒng)為例著重講述三菱伺服系統(tǒng)模塊中應(yīng)用最廣泛的MR-J2S-A伺服驅(qū)動(dòng)器，分別從結(jié)構(gòu)功能、控制模式、工作模式、參數(shù)設(shè)置等方面對(duì)MR-J2S-A伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了描述，讀者可以全面、深刻地掌握三菱伺服系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)。第9章從三個(gè)實(shí)例對(duì)數(shù)控伺服系統(tǒng)、電一液伺服系統(tǒng)以及步進(jìn)伺服系統(tǒng)分別進(jìn)行了說(shuō)明：首先介紹了西門子數(shù)控伺服系統(tǒng)840D在軋輥車床上的應(yīng)用，接著闡述了電一液伺服系統(tǒng)在仿形銑床上的應(yīng)用，最后分析了基于DSP的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的應(yīng)用；這三類實(shí)例特點(diǎn)突出，代表性強(qiáng)，圖表豐富，內(nèi)容簡(jiǎn)單易懂，讀者可以進(jìn)一步熟悉掌握步進(jìn)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及其在工程上的應(yīng)用。

內(nèi)容概要

　　《PLC與步進(jìn)伺服快速入門與實(shí)踐》從工程應(yīng)用角度出發(fā)，首先介紹步進(jìn)與伺服的基礎(chǔ)知識(shí)，包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服系統(tǒng)的概念及其工作原理，然后詳細(xì)介紹三菱、西門子等品牌步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與伺服系統(tǒng)及其功能，最后通過(guò)多個(gè)實(shí)例，深入淺出地講解步進(jìn)與伺服在工程實(shí)踐中的應(yīng)用方法。書中的每個(gè)實(shí)例均詳細(xì)地給出了設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)步驟以及程序代碼?！禤LC與步進(jìn)伺服快速入門與實(shí)踐》可作為PLC步進(jìn)與伺服工程人員的自學(xué)工具書，也可作為大專院校電氣工程及自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、應(yīng)用電子、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、機(jī)電一體化及其他相關(guān)專業(yè)的參考用書。

書籍目錄

基礎(chǔ)篇第1章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器概述31.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展31.1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)現(xiàn)狀31.1.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)41.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類41.2.1 按運(yùn)動(dòng)方式分類41.2.2 按電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩分類61.2.3 按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的工作方式分類61.2.4 按勵(lì)磁組數(shù)分類71.2.5 按電流極性分類71.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器81.3.1 驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)組成91.3.2 驅(qū)動(dòng)器參數(shù)說(shuō)明91.3.3 驅(qū)動(dòng)器使用方法101.3.4 驅(qū)動(dòng)器連接電路121.4 本章 小結(jié)14第2章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理152.1 磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)152.1.1 磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)152.1.2 磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式152.1.3 小步距角步進(jìn)電動(dòng)機(jī)182.1.4 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式192.2 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)202.2.1 單定子結(jié)構(gòu)212.2.2 兩定子結(jié)構(gòu)222.3 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)222.3.1 永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)222.3.2 永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理232.4 特種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)242.4.1 特微型永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)242.4.2 機(jī)電混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)282.4.3 直線和平面步進(jìn)電動(dòng)機(jī)302.5 本章 小結(jié)33第3章 伺服系統(tǒng)343.1 伺服系統(tǒng)的發(fā)展343.1.1 液壓及氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的發(fā)展343.1.2 電氣伺服系統(tǒng)的發(fā)展353.2 伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能363.2.1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)373.2.2 伺服系統(tǒng)功能383.3 伺服控制系統(tǒng)的組成383.3.1 自動(dòng)控制理論中的伺服系統(tǒng)393.3.2 電氣控制系統(tǒng)中的伺服設(shè)備403.3.3 電-液控制系統(tǒng)中的伺服設(shè)備403.3.4 電-氣控制系統(tǒng)中的伺服設(shè)備403.4 伺服控制系統(tǒng)分類413.4.1 按參數(shù)特性分類413.4.2 按驅(qū)動(dòng)元件類型分類433.4.3 按控制原理分類443.4.4 按機(jī)床加工系統(tǒng)分類453.5 伺服控制系統(tǒng)的特點(diǎn)463.5.1 伺服系統(tǒng)精度463.5.2 伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性473.5.3 響應(yīng)及寬調(diào)速特性473.6 本章 小結(jié)47第4章 伺服系統(tǒng)原理494.1 步進(jìn)式伺服系統(tǒng)原理494.1.1 控制脈沖發(fā)生器494.1.2 環(huán)分電路504.1.3 驅(qū)動(dòng)電路514.1.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)524.2 電-液伺服系統(tǒng)原理544.2.1 伺服閥544.2.2 液壓馬達(dá)564.2.3 液壓缸的基本原理574.2.4 反饋傳感器584.3 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)原理594.3.1 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)構(gòu)成594.3.2 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)氣路原理594.4 直流伺服系統(tǒng)原理604.4.1 整流驅(qū)動(dòng)裝置原理614.4.2 直流PWM伺服驅(qū)動(dòng)裝置的工作原理614.4.3 直流系統(tǒng)控制電路原理624.4.4 測(cè)速元件工作原理634.5 交流伺服系統(tǒng)原理634.5.1 伺服控制單元基本原理644.5.2 功率放大單元原理654.5.3 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)原理664.5.4 反饋元件原理664.6 數(shù)字伺服系統(tǒng)原理674.6.1 控制計(jì)算機(jī)及接口原理684.6.2 模擬低通濾波器原理684.6.3 自整角機(jī)-數(shù)字轉(zhuǎn)換器原理694.7 本章 小結(jié)70提高篇第5章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)735.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特性735.1.1 靜態(tài)特性735.1.2 運(yùn)行特性775.1.3 頻率特性815.1.4 機(jī)械諧振與阻尼特性845.1.5 步距誤差特性875.2 控制系統(tǒng)875.2.1 開環(huán)系統(tǒng)885.2.2 閉環(huán)系統(tǒng)905.3 參數(shù)測(cè)試905.3.1 靜態(tài)參數(shù)測(cè)試905.3.2 動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試955.4 參數(shù)選型975.4.1 參數(shù)估算975.4.2 參數(shù)設(shè)定1015.5 數(shù)學(xué)模型1055.5.1 狀態(tài)變量與傳遞函數(shù)1055.5.2 動(dòng)態(tài)特性模型1155.5.3 加減速模型1225.6 振動(dòng)與噪聲及阻尼處理1245.6.1 振蕩和失步1255.6.2 振蕩和噪聲1265.6.3 低頻振蕩的抑制1265.7 本章 小結(jié)129第6章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)1306.1 伺服系統(tǒng)需求分析1306.1.1 伺服系統(tǒng)需求1306.1.2 伺服系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)1316.1.3 伺服系統(tǒng)技術(shù)要求1316.2 伺服系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)1326.2.1 伺服系統(tǒng)總體方案初步制訂1326.2.2 伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)1336.2.3 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)1336.3 電-液伺服系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)1346.3.1 電-液伺服系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)1346.3.2 電-液伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)1356.3.3 電-液伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型1406.3.4 電-液伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析1426.4 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)1436.4.1 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)1436.4.2 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)1466.4.3 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型1506.4.4 氣動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析1526.5 直流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)1526.5.1 直流伺服系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)1526.5.2 直流伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)1536.5.3 直流伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型1616.5.4 直流伺服的動(dòng)態(tài)分析設(shè)計(jì)1636.6 交流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)1646.6.1 交流伺服系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1646.6.2 交流伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)1656.6.3 交流伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型1756.6.4 交流伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析1786.7 全數(shù)字伺服系統(tǒng)1786.7.1 全數(shù)字伺服系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1786.7.2 全數(shù)字伺服系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)1806.7.3 數(shù)字控制程序設(shè)計(jì)1896.8 本章 小結(jié)189實(shí)踐篇第7章 西門子工程常用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制實(shí)例1937.1 S7-200PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)例1937.1.1 S7-200PLC下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)功能說(shuō)明1937.1.2 系統(tǒng)硬件選型與搭建1947.1.3 電氣控制原理圖1977.1.4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)1997.2 S7-300PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)例2017.2.1 S7-300PLC下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)功能說(shuō)明2027.2.2 系統(tǒng)硬件選型與搭建2037.2.3 電氣控制原理圖2057.2.4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)2067.3 工控機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)例2117.3.1 工控機(jī)控制下步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)功能說(shuō)明2117.3.2 系統(tǒng)硬件選型與搭建2127.3.3 電氣控制原理圖2137.3.4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)2147.4 本章 小結(jié)215第8章 三菱步進(jìn)伺服系統(tǒng)的控制應(yīng)用技術(shù)2168.1 三菱伺服系統(tǒng)模塊組成2168.1.1 MR-J2S-A伺服驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)與功能2168.1.2 伺服電動(dòng)機(jī)原理及其功能2198.2 三菱交流伺服系統(tǒng)各端子功能以及內(nèi)部電路2208.2.1 三菱交流伺服系統(tǒng)外圍接線2218.2.2 三菱交流伺服系統(tǒng)各端子及功能說(shuō)明2228.2.3 三菱伺服系統(tǒng)接口說(shuō)明2238.3 三菱伺服系統(tǒng)的工作模式2278.3.1 三菱MR-J2S-A伺服系統(tǒng)位置控制模式2288.3.2 三菱MR-J2S-A伺服系統(tǒng)速度控制模式2348.3.3 三菱MR-J2S-A伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制模式2378.4 三菱伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2388.4.1 三菱MR-J2S-A伺服系統(tǒng)控制模式選擇2398.4.2 三菱伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)選擇2408.4.3 三菱伺服系統(tǒng)其他配件規(guī)格選擇2488.4.4 三菱伺服電氣接線圖2508.4.5 三菱伺服軟件選擇2558.4.6 三菱伺服系統(tǒng)MR-J2S-A基本參數(shù)設(shè)置2558.5 本章 小結(jié)259第9章 步進(jìn)伺服系統(tǒng)綜合應(yīng)用實(shí)例2609.1 西門子數(shù)控伺服系統(tǒng)在軋輥車床的應(yīng)用2609.1.1 西門子840D數(shù)控伺服系統(tǒng)及軋輥車床基本概念2609.1.2 西門子840D數(shù)控伺服系統(tǒng)硬件配置2639.1.3 基于西門子840D系統(tǒng)的軋輥車床軟件配置2779.2 電液伺服系統(tǒng)在仿形銑床上的典型應(yīng)用2889.2.1 仿形銑床的基本概念2889.2.2 電-液伺服系統(tǒng)下仿形銑床的基本參數(shù)2909.2.3 仿形銑床的基本控制方式2929.2.4 數(shù)字隨動(dòng)銑床2939.2.5 液壓伺服下仿形銑床的檢修方式2949.3 基于DSP的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)2969.3.1 基于DSP的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)功能說(shuō)明2969.3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2979.3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3059.4 本章 小結(jié)317

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器概述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止的位置取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，即給電動(dòng)機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)控制變得非常簡(jiǎn)單。本章主要介紹步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)展歷程和展望、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分類、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及電氣外部特性。1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展工業(yè)生產(chǎn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)性能的要求越來(lái)越高，特別是高性能稀土等新型永磁材料的出現(xiàn)以及電子電力器件的飛速發(fā)展，許多性能更為優(yōu)越的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也隨之紛紛問(wèn)世。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)有70年的發(fā)展歷史，逐漸發(fā)展成以混合式和磁阻式為主的產(chǎn)品格局。其中混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的，總體性能也優(yōu)于其他步進(jìn)電動(dòng)機(jī)品種。目前，市場(chǎng)上最常見(jiàn)的產(chǎn)品是采朝雙極性斬波驅(qū)動(dòng)器的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。1.1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)現(xiàn)狀自問(wèn)世以來(lái)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)很快確定了在開環(huán)高分辨率的定位系統(tǒng)中的主導(dǎo)地位。在工業(yè)技術(shù)高速發(fā)展的今天，還未有適合的取代產(chǎn)品出現(xiàn)。雖然步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已被廣泛應(yīng)用，但并不能像普通的直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)那樣在常規(guī)電氣控制電路中使用。它須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)，涉及很多機(jī)械和電氣控制方面的知識(shí)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)是無(wú)累積誤差，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)控制變得簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，在未超載的情況下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，從而決定了它在一些要求不是很高的場(chǎng)合有廣泛的用途，運(yùn)行可靠方便。

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《PLC與步進(jìn)伺服快速入門與實(shí)踐》是工業(yè)自動(dòng)化實(shí)用技術(shù)叢書之一。

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