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一、实验目的
1、掌握步进电机的工作原理
2、掌握带驱动电源的步进电机的控制方法
3、掌握DECO指令实现步进电机正反转和调速控制的程序
二、实训仪器和设备
1、FX2N-48MR PLC一台
2、两相四拍带驱动电源的步进电机一套
3、正反切换开关、起停开关、增减速开关各一个
三、步进电机工作原理
步进电机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转换成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，图3-1是一个三相反应式步进电机结图。从图中可以看出，它分成转子和定子两部分。定子是由硅钢片叠成，定子上有六个磁极（大极），每两个相对的磁极（N、S极）组成一对。共有3对。每对磁极都绕有同一绕组，也即形成1相，这样三对磁极有3个绕组，形成三相。可以得出，三相步进电机有3对磁极、3相绕组；四相步进电机有4对磁极、四相绕组，依此类推。反应式步进电动机的动力来自于电磁力。在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导率（或者最小磁阻）的位置，如图3-1（a）所示，定子小齿与转子小齿对齐的位置，并处于平衡状态。对三相异步电动机来说，当某一相的磁极处于最大导磁位置时，另外两相相必处于非最大导磁位置，如图3-1（b）所示，即定子小齿与转子小齿不对齐的位置。
把定子小齿与转子小齿对齐的状态称为对齿，把定子小齿与转子小齿不对齐的状态称为错齿。错齿的存在是步进电机能够旋转的前提条件，所以，在步进电机的结构中必须保证有错齿的存在，也就是说，当某一相处于对齿状态时，其它绕组必须处于错齿状态。本实验的电机采用两相混合式步进电机，其内部上下是两个磁铁，中间是线圈，通了直流电以后，就成了电磁铁，被上下的磁铁吸引后就产生了偏转。因为中间连接的，是采用在转轴的位置用一根滑动的接触片。这样如果电磁铁转过了头，原先连接电磁铁的两根线刚好就相反了，所以电磁铁的N极S极就和以前相反了。但是电机上下的磁铁是不变的，所以又可以继续吸引中间的电磁铁。当电磁铁继续转，由于惯性又转过了头，所以电极又相反了。重复上述过程就步进电机转了。根据这个原理，如图3-2所示，两相步进电机的转动步骤，以正转为例：
由图可见，现相异步电机正转过程分为四个步骤，即A相正方向电流、B相正方向电流、A向反方向电流和B相反方向电流。反转工作的顺序与之相反。A、B两相线圈不是固定的电流方向，这与其它步进电机的控制逻辑有所不同。因此，控制步进电机转动时，必须考虑用换相的思路设计实验线路。可以根据模拟驱动电路的功能和plc必须的逻辑关系进行程序设计。
四、采用步进电机驱动器的控制方式
利用步进电机驱动器可以通过PLC的高速输出信号控制步进电机的运动方向、运行速度、运行步数等状态。其中：步进电机的方向控制，只需要通过控制U/D端的On和Off就能决定电机的正转或反转；将光耦隔离的脉冲信号输入到CP端就能决定步进电机的速度和步数；控制FREE信号就能使电机处于自由状态。因此PLC的控制程序相当简单，只需通过PLC的输出就能控制步进电机的方向、转速和步数。不必通过PLC控制电机换相的逻辑关系，也不必另外添加驱动电路。实训面板见图3-4，梯形图见图3-5。本程序是利用D0的变化，改变T0的定时间隔，从而改变步进电机的转速。通过两个触点比较指令使得D0只能在10～50之间变化，从而控制步进间隔是1S～5S之间，I/O分配表见表3-1。表3-1 I/O分配表
输入点 | 输出点 |
X0 | 正转/反转方向 | Y0 | 电机控制脉冲 |
X1 | 电机转动 | Y1 | 正转/反转运行 |
X2 | 电机停止 |
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X4 | 频率增加 |
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X5 | 频率减少 |
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图3-5 梯形图
五、采用PLC直接控制步进电机方式
对于两相步进电机控制，根据其工作原理，必须考虑其换向的控制方式，因此将其步骤用代号分解，则为：①实现电流方向A+→A-、②实现电流方向B+→B-、③实现电流方向A-→A+、④实现电流方向B-→B+。如果反转则按照④、③、②、①的顺序控制。PLC的I/O分配表按照表3-2，分配图按照图3-6，梯形图见图3-7。表3-2 PLC的I/O分配表
输入点 | 输出点 |
X0 | 正转运行 | COM1 | DC+12V |
X1 | 反转运行 | Y0 | A+ |
X2 | 自动/手动 | Y1 | B+ |
X3 | 单步运行 | Y2 | A- |
X4 | 频率增加 | Y3 | B- |
X5 | 频率减少 | COM2 | DC+12V GND |
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| Y4 | A- |
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| Y5 | B- |
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| Y6 | A+ |
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| Y7 | B+ |
步进电机正反转和调速控制的梯形图如图3-7所示，程序中采用积算定时器T246为脉冲发生器，因系统配置的PLC为继电器输出类型，其通断频率过高有可能损坏PLC，故设定范围为K200ms～1000ms，则步进电机可获得1～10步/秒的变速范围，（X0为ON时，正转，X1为ON时；反转）。X0为ON时，输出正脉冲列，步进电机正转。当X0为ON时，T246以D0值为预置值开始计时，时间到，T246导通，执行DECO指令，根据D1数值（首次为0），指定M10输出，Y0、Y4为ON，步进电机A相通电，且实现电流方向A+→A-；D1加1，然后，T246马上自行复位，重新计时，时间到，T246又导通，再执行DECO指令，根据D1数值（此次为1），指定M11输出，Y1、Y5为ON，步进电机B相通电，且实现电流方向B+→B-；D1加1，T246马上又自行复位，重新计数，时间到，T246又导通，再执行DECO指令，根据D1数值（此次为2），指定M12输出，Y2、Y6为ON，步进电机A相通电，且实现电流方向A-→A+；D1加1，T246马上又自行复位，重新计时，时间到，T246又导通，再执行DECO命令，根据D1数值（此次为3），指定M13输出，Y3、Y7为ON，步进电机B相通电，且实现电流方向B-→B+；当M13为ON，D1复位，重新开始新一轮正脉冲系列的产生。X1为ON时，输出反脉冲列，步进电机正转。当X1为ON时，T246以D0值为预置值开始计时，时间到，T246导通，执行DECO指令，根据D1数值（首次为0），指定M10输出，Y3、Y7为ON，步进电机B相通电，且实现电流方向B-→B+；依此类推，完成实现A相反方向电流、B相正方向电流、A相正方向电流三个脉冲列输出；当M13为ON，D1复位，重新开始新一轮正脉冲系列的产生。当X2为ON时，程序由自动转为手动模式，当X0（X1）为ON时，每点动一次X3，对D1数值（首次为0）加1，分别指定M10、M11、M12及M13输出，从而完成一轮正（反）脉冲系列的产生。第73步中，当X4为ON，M8012为ON，M4为ON，且D0当前值<K1000，则D0即加1。第88步中，当X5为ON，M8012为ON，M4为ON，且D0>K200，由D0即减1。
六、程序调试及执行
调速时按X4或X5按钮，观察D0的变化，当变化值为所需速度时释放。如动作情况与控制要求一致表明程序正确，保存程序。如果发现程序运行与控制要求不符，应仔细分析，找出原因，重新修改，直到程序与控制要求相符为止。
七、实训思考练习题
如果调速需经常进行，可将D0的内容显示出来，试设想方案，修改程序，并实验。
图3-7 步进电机正反转和调速控制
程序说明
1、步骤0，指定脉冲序列输出顺序移位值；
2、当X0为ON，输出正脉冲序列，电机正转；当X1为ON，输出负脉冲序列，电机反转；
3、当X2为ON，程序由自动转为手动模式，由X3状态单步触发电机运转；
4、当X4为ON，如D0小于1000，每100ms对D0加1，从而延长每脉冲输出的时间间隔，降低电机的转速；
5、当X5为ON，如D0大于200，每100ms对D0减1，从而缩短每脉冲输出的时间间隔，加快电机的转速；
6、T0为频率调整限制。
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