1、掌握步進(jìn)電機(jī)的工作原理

2、掌握帶驅(qū)動(dòng)電源的步進(jìn)電機(jī)的控制方法

3、掌握DECO指令實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速控制的程序

二、實(shí)訓(xùn)儀器和設(shè)備

1、PLC控制器 一臺(tái)

2、兩相四拍帶驅(qū)動(dòng)電源的步進(jìn)電機(jī)一套

3、正反切換開(kāi)關(guān)、起停開(kāi)關(guān)、增減速開(kāi)關(guān)各一個(gè)

三、步進(jìn)電機(jī)工作原理

步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)，它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，圖3-1是一個(gè)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)圖。從圖中可以看出，它分成轉(zhuǎn)子和定子兩部分。定子是由硅鋼片疊成，定子上有六個(gè)磁極（大極），每?jī)蓚�(gè)相對(duì)的磁極（N、S極）組成一對(duì)。共有3對(duì)。每對(duì)磁極都繞有同一繞組，也即形成1相，這樣三對(duì)磁極有3個(gè)繞組，形成三相。可以得出，三相步進(jìn)電機(jī)有3對(duì)磁極、3相繞組；四相步進(jìn)電機(jī)有4對(duì)磁極、四相繞組，依此類推。

反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來(lái)自于電磁力。在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子被強(qiáng)行推動(dòng)到最大磁導(dǎo)率（或者最小磁阻）的位置，如圖3-1（a）所示，定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對(duì)齊的位置，并處于平衡狀態(tài)。對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)某一相的磁極處于最大導(dǎo)磁位置時(shí)，另外兩相相必處于非最大導(dǎo)磁位置，如圖3-1（b）所示，即定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒不對(duì)齊的位置。

把定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對(duì)齊的狀態(tài)稱為對(duì)齒，把定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒不對(duì)齊的狀態(tài)稱為錯(cuò)齒。錯(cuò)齒的存在是步進(jìn)電機(jī)能夠旋轉(zhuǎn)的前提條件，所以，在步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)中必須保證有錯(cuò)齒的存在，也就是說(shuō)，當(dāng)某一相處于對(duì)齒狀態(tài)時(shí)，其它繞組必須處于錯(cuò)齒狀態(tài)。

本實(shí)驗(yàn)的電機(jī)采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，其內(nèi)部上下是兩個(gè)磁鐵，中間是線圈，通了直流電以后，就成了電磁鐵，被上下的磁鐵吸引后就產(chǎn)生了偏轉(zhuǎn)。因?yàn)橹虚g連接的，是采用在轉(zhuǎn)軸的位置用一根滑動(dòng)的接觸片。這樣如果電磁鐵轉(zhuǎn)過(guò)了頭，原先連接電磁鐵的兩根線剛好就相反了，所以電磁鐵的N極S極就和以前相反了。但是電機(jī)上下的磁鐵是不變的，所以又可以繼續(xù)吸引中間的電磁鐵。當(dāng)電磁鐵繼續(xù)轉(zhuǎn)，由于慣性又轉(zhuǎn)過(guò)了頭，所以電極又相反了。重復(fù)上述過(guò)程就步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)了。

根據(jù)這個(gè)原理，如圖3-2所示，兩相步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步驟，以正轉(zhuǎn)為例：

 

由圖可見(jiàn)，現(xiàn)相異步電機(jī)正轉(zhuǎn)過(guò)程分為四個(gè)步驟，即A相正方向電流、B相正方向電流、A向反方向電流和B相反方向電流。反轉(zhuǎn)工作的順序與之相反。A、B兩相線圈不是固定的電流方向，這與其它步進(jìn)電機(jī)的控制邏輯有所不同。因此，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，必須考慮用換相的思路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)線路。可以根據(jù)模擬驅(qū)動(dòng)電路的功能和plc必須的邏輯關(guān)系進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

四、采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制方式

利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以通過(guò)PLC的高速輸出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)行速度、運(yùn)行步數(shù)等狀態(tài)。其中：步進(jìn)電機(jī)的方向控制，只需要通過(guò)控制U/D端的On和Off就能決定電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；將光耦隔離的脈沖信號(hào)輸入到CP端就能決定步進(jìn)電機(jī)的速度和步數(shù)；控制FREE信號(hào)就能使電機(jī)處于自由狀態(tài)。

因此

PLC控制器

表3-1  I/O分配表

.

 

圖3-5  梯形圖

五、采用PLC控制器直接控制步進(jìn)電機(jī)方式

對(duì)于兩相步進(jìn)電機(jī)控制，根據(jù)其工作原理，必須考慮其換向的控制方式，因此將其步驟用代號(hào)分解，則為：①實(shí)現(xiàn)電流方向A+→A-、②實(shí)現(xiàn)電流方向B+→B-、③實(shí)現(xiàn)電流方向A-→A+、④實(shí)現(xiàn)電流方向B-→B+。如果反轉(zhuǎn)則按照④、③、②、①的順序控制。

PLC的I/O分配表按照表3-2，分配圖按照?qǐng)D3-6，梯形圖見(jiàn)圖3-7。

表3-2  PLC的I/O分配表

 

 步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速控制的梯形圖如圖3-7所示，程序中采用積算定時(shí)器T246為脈沖發(fā)生器，因系統(tǒng)配置的PLC為繼電器輸出類型，其通斷頻率過(guò)高有可能損壞

PLC控制器

X0為ON時(shí)，輸出正脈沖列，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)X0為ON時(shí)，T246以D0值為預(yù)置值開(kāi)始計(jì)時(shí)，時(shí)間到，T246導(dǎo)通，執(zhí)行DECO指令，根據(jù)D1數(shù)值（首次為0），指定M10輸出，Y0、Y4為ON，步進(jìn)電機(jī)A相通電，且實(shí)現(xiàn)電流方向A+→A-；D1加1，然后，T246馬上自行復(fù)位，重新計(jì)時(shí)，時(shí)間到，T246又導(dǎo)通，再執(zhí)行DECO指令，根據(jù)D1數(shù)值（此次為1），指定M11輸出，Y1、Y5為ON，步進(jìn)電機(jī)B相通電，且實(shí)現(xiàn)電流方向B+→B-；D1加1，T246馬上又自行復(fù)位，重新計(jì)數(shù)，時(shí)間到，T246又導(dǎo)通，再執(zhí)行DECO指令，根據(jù)D1數(shù)值（此次為2），指定M12輸出，Y2、Y6為ON，步進(jìn)電機(jī)A相通電，且實(shí)現(xiàn)電流方向A-→A+；D1加1，T246馬上又自行復(fù)位，重新計(jì)時(shí)，時(shí)間到，T246又導(dǎo)通，再執(zhí)行DECO命令，根據(jù)D1數(shù)值（此次為3），指定M13輸出，Y3、Y7為ON，步進(jìn)電機(jī)B相通電，且實(shí)現(xiàn)電流方向B-→B+；當(dāng)M13為ON，D1復(fù)位，重新開(kāi)始新一輪正脈沖系列的產(chǎn)生。

X1為ON時(shí)，輸出反脈沖列，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)X1為ON時(shí)，T246以D0值為預(yù)置值開(kāi)始計(jì)時(shí)，時(shí)間到，T246導(dǎo)通，執(zhí)行DECO指令，根據(jù)D1數(shù)值（首次為0），指定M10輸出，Y3、Y7為ON，步進(jìn)電機(jī)B相通電，且實(shí)現(xiàn)電流方向B-→B+；依此類推，完成實(shí)現(xiàn)A相反方向電流、B相正方向電流、A相正方向電流三個(gè)脈沖列輸出；當(dāng)M13為ON，D1復(fù)位，重新開(kāi)始新一輪正脈沖系列的產(chǎn)生。

當(dāng)X2為ON時(shí)，程序由自動(dòng)轉(zhuǎn)為手動(dòng)模式，當(dāng)X0（X1）為ON時(shí)，每點(diǎn)動(dòng)一次X3，對(duì)D1數(shù)值（首次為0）加1，分別指定M10、M11、M12及M13輸出，從而完成一輪正（反）脈沖系列的產(chǎn)生。

第73步中，當(dāng)X4為ON，M8012為ON，M4為ON，且D0當(dāng)前值< span="">，則D0即加1。第88步中，當(dāng)X5為ON，M8012為ON，M4為ON，且D0>K200，由D0即減1。

六、程序調(diào)試及執(zhí)行

調(diào)速時(shí)按X4或X5按鈕，觀察D0的變化，當(dāng)變化值為所需速度時(shí)釋放。

如動(dòng)作情況與控制要求一致表明程序正確，保存程序。如果發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行與控制要求不符，應(yīng)仔細(xì)分析，找出原因，重新修改，直到程序與控制要求相符為止。

七、實(shí)訓(xùn)思考練習(xí)題

如果調(diào)速需經(jīng)常進(jìn)行，可將D0的內(nèi)容顯示出來(lái)，試設(shè)想方案，修改程序，并實(shí)驗(yàn)。

DECOP指令說(shuō)明，ZRST區(qū)間復(fù)位指令

 圖3-7  步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速控制

程序說(shuō)明

1、步驟0，指定脈沖序列輸出順序移位值；

2、當(dāng)X0為ON，輸出正脈沖序列，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)X1為ON，輸出負(fù)脈沖序列，電機(jī)反轉(zhuǎn)；

3、當(dāng)X2為ON，程序由自動(dòng)轉(zhuǎn)為手動(dòng)模式，由X3狀態(tài)單步觸發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；

4、當(dāng)X4為ON，如D0小于1000，每100ms對(duì)D0加1，從而延長(zhǎng)每脈沖輸出的時(shí)間間隔，降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

5、當(dāng)X5為ON，如D0大于200，每100ms對(duì)D0減1，從而縮短每脈沖輸出的時(shí)間間隔，加快電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

6、T0為頻率調(diào)整限制。