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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、FX2N-48MR PLC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，它將電脈衝信號轉換成角位移，即給一個脈衝信號，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。定子是由矽鋼片疊成，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於電磁力。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，並處於平衡狀態。對三相異步電動機來說，當某一相的磁極處於最大導磁位置時，另外兩相相必處於非最大導磁位置，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，當某一相處於對齒狀態時，其它繞組必須處於錯齒狀態。
本實驗的電機採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，通了直流電以後，就成了電磁鐵，被上下的磁鐵吸引後就產生了偏轉。因為中間連接的，是採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，由於慣性又轉過了頭，所以電極又相反了。重複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必須的邏輯關係進行程序設計。
四、採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；將光耦隔離的脈衝信號輸入到CP端就能決定步進電機的速度和步數；控制FREE信號就能使電機處於自由狀態。
因此PLC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係，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隻能在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
輸入點
輸出點
X0
正轉/反轉方向
Y0
電機控制脈衝
X1
電機轉動
Y1
正轉/反轉運行
X2
電機停止
X4
頻率增加
X5
頻率減少
.
圖3-5 梯形圖
五、採用PLC直接控制步進電機方式
對於兩相步進電機控制，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
輸入點
輸出點
X0
正轉運行
COM1
DC+12V
X1
反轉運行
Y0
A+
X2
自動/手動
Y1
B+
X3
單步運行
Y2
A-
X4
頻率增加
Y3
B-
X5
頻率減少
COM2
DC+12V GND
Y4
A-
Y5
B-
Y6
A+
Y7
B+
步進電機正反轉和調速控制的梯形圖如圖3-7所示，程序中採用積算定時器T246為脈衝發生器，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，故設定範圍為K200ms～1000ms，則步進電機可獲得1～10步/秒的變速範圍，（X0為ON時，正轉，X1為ON時；反轉）。
X0為ON時，輸出正脈衝列，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，然後，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衝系列的產生。
X1為ON時，輸出反脈衝列，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衝列輸出；當M13為ON，D1復位，重新開始新一輪正脈衝系列的產生。
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）脈衝系列的產生。
第73步中，當X4為ON，M8012為ON，M4為ON，且D0當前值<K1000，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，並實驗。
圖3-7 步進電機正反轉和調速控制
程序說明
1、步驟0，指定脈衝序列輸出順序移位值；
2、當X0為ON，輸出正脈衝序列，電機正轉；當X1為ON，輸出負脈衝序列，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小於1000，每100ms對D0加1，從而延長每脈衝輸出的時間間隔，降低電機的轉速；
5、當X5為ON，如D0大於200，每100ms對D0減1，從而縮短每脈衝輸出的時間間隔，加快電機的轉速；
6、T0為頻率調整限制。
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