一、實驗目的

1、掌握步進電機的工作原理

2、掌握帶驅動電源的步進電機的控制方法

3、掌握DECO指令實現步進電機正反轉和調速控制的程序

二、實訓儀器和設備

1、PLC控制器 一臺

2、兩相四拍帶驅動電源的步進電機一套

3、正反切換開關、起停開關、增減速開關各一個

三、步進電機工作原理

步進電機是純粹的數字控制電動機，它將電脈沖信號轉換成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，圖3-1是一個三相反應式步進電機結圖。從圖中可以看出，它分成轉子和定子兩部分。定子是由硅鋼片疊成，定子上有六個磁極（大極），每兩個相對的磁極（N、S極）組成一對。共有3對。每對磁極都繞有同一繞組，也即形成1相，這樣三對磁極有3個繞組，形成三相。可以得出，三相步進電機有3對磁極、3相繞組；四相步進電機有4對磁極、四相繞組，依此類推。

反應式步進電動機的動力來自于電磁力。在電磁力的作用下，轉子被強行推動到最大磁導率（或者最小磁阻）的位置，如圖3-1（a）所示，定子小齒與轉子小齒對齊的位置，并處于平衡狀態。對三相異步電動機來說，當某一相的磁極處于最大導磁位置時，另外兩相相必處于非最大導磁位置，如圖3-1（b）所示，即定子小齒與轉子小齒不對齊的位置。

 

把定子小齒與轉子小齒對齊的狀態稱為對齒，把定子小齒與轉子小齒不對齊的狀態稱為錯齒。錯齒的存在是步進電機能夠旋轉的前提條件，所以，在步進電機的結構中必須保證有錯齒的存在，也就是說，當某一相處于對齒狀態時，其它繞組必須處于錯齒狀態。

本實驗的電機采用兩相混合式步進電機，其內部上下是兩個磁鐵，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生了偏轉。因為中間連接的，是采用在轉軸的位置用一根滑動的接觸片。這樣如果電磁鐵轉過了頭，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。但是電機上下的磁鐵是不變的，所以又可以繼續吸引中間的電磁鐵。當電磁鐵繼續轉，由于慣性又轉過了頭，所以電極又相反了。重復上述過程就步進電機轉了。

根據這個原理，如圖3-2所示，兩相步進電機的轉動步驟，以正轉為例：

 

 

由圖可見，現相異步電機正轉過程分為四個步驟，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，這與其它步進電機的控制邏輯有所不同。因此，控制步進電機轉動時，必須考慮用換相的思路設計實驗線路。可以根據模擬驅動電路的功能和plc必須的邏輯關系進行程序設計。

四、采用步進電機驅動器的控制方式

利用步進電機驅動器可以通過PLC的高速輸出信號控制步進電機的運動方向、運行速度、運行步數等狀態。其中：步進電機的方向控制，只需要通過控制U/D端的On和Off就能決定電機的正轉或反轉；將光耦隔離的脈沖信號輸入到CP端就能決定步進電機的速度和步數；控制FREE信號就能使電機處于自由狀態。

因此

PLC控制器

的控制程序相當簡單，只需通過PLC的輸出就能控制步進電機的方向、轉速和步數。不必通過PLC控制電機換相的邏輯關系，也不必另外添加驅動電路。實訓面板見圖3-4，梯形圖見圖3-5。本程序是利用D0的變化，改變T0的定時間隔，從而改變步進電機的轉速。通過兩個觸點比較指令使得D0只能在10～50之間變化，從而控制步進間隔是1S～5S之間，I/O分配表見表3-1。

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電機方式

對于兩相步進電機控制，根據其工作原理，必須考慮其換向的控制方式，因此將其步驟用代號分解，則為：①實現電流方向A+→A-、②實現電流方向B+→B-、③實現電流方向A-→A+、④實現電流方向B-→B+。如果反轉則按照④、③、②、①的順序控制。

PLC的I/O分配表按照表3-2，分配圖按照圖3-6，梯形圖見圖3-7。

表3-2  PLC的I/O分配表

 

 

 步進電機正反轉和調速控制的梯形圖如圖3-7所示，程序中采用積算定時器T246為脈沖發生器，因系統配置的PLC為繼電器輸出類型，其通斷頻率過高有可能損壞

PLC控制器

，故設定范圍為K200ms～1000ms，則步進電機可獲得1～10步/秒的變速范圍，（X0為ON時，正轉，X1為ON時；反轉）。

X0為ON時，輸出正脈沖列，步進電機正轉。當X0為ON時，T246以D0值為預置值開始計時，時間到，T246導通，執行DECO指令，根據D1數值（首次為0），指定M10輸出，Y0、Y4為ON，步進電機A相通電，且實現電流方向A+→A-；D1加1，然后，T246馬上自行復位，重新計時，時間到，T246又導通，再執行DECO指令，根據D1數值（此次為1），指定M11輸出，Y1、Y5為ON，步進電機B相通電，且實現電流方向B+→B-；D1加1，T246馬上又自行復位，重新計數，時間到，T246又導通，再執行DECO指令，根據D1數值（此次為2），指定M12輸出，Y2、Y6為ON，步進電機A相通電，且實現電流方向A-→A+；D1加1，T246馬上又自行復位，重新計時，時間到，T246又導通，再執行DECO命令，根據D1數值（此次為3），指定M13輸出，Y3、Y7為ON，步進電機B相通電，且實現電流方向B-→B+；當M13為ON，D1復位，重新開始新一輪正脈沖系列的產生。

X1為ON時，輸出反脈沖列，步進電機正轉。當X1為ON時，T246以D0值為預置值開始計時，時間到，T246導通，執行DECO指令，根據D1數值（首次為0），指定M10輸出，Y3、Y7為ON，步進電機B相通電，且實現電流方向B-→B+；依此類推，完成實現A相反方向電流、B相正方向電流、A相正方向電流三個脈沖列輸出；當M13為ON，D1復位，重新開始新一輪正脈沖系列的產生。

當X2為ON時，程序由自動轉為手動模式，當X0（X1）為ON時，每點動一次X3，對D1數值（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）脈沖系列的產生。

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

六、程序調試及執行

調速時按X4或X5按鈕，觀察D0的變化，當變化值為所需速度時釋放。

如動作情況與控制要求一致表明程序正確，保存程序。如果發現程序運行與控制要求不符，應仔細分析，找出原因，重新修改，直到程序與控制要求相符為止。

七、實訓思考練習題

如果調速需經常進行，可將D0的內容顯示出來，試設想方案，修改程序，并實驗。

DECOP指令說明，ZRST區間復位指令

 

 

 

 

 圖3-7  步進電機正反轉和調速控制

程序說明

1、步驟0，指定脈沖序列輸出順序移位值；

2、當X0為ON，輸出正脈沖序列，電機正轉；當X1為ON，輸出負脈沖序列，電機反轉；

3、當X2為ON，程序由自動轉為手動模式，由X3狀態單步觸發電機運轉；

4、當X4為ON，如D0小于1000，每100ms對D0加1，從而延長每脈沖輸出的時間間隔，降低電機的轉速；

5、當X5為ON，如D0大于200，每100ms對D0減1，從而縮短每脈沖輸出的時間間隔，加快電機的轉速；

6、T0為頻率調整限制。