1、实训课题三 PLC 实现步进电机正反转和调速控制一、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、FX 2N-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
2、）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
3、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。因为中间连接的电磁铁的两根线不是直接连接的，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
4、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
5、/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 1050 之间变化，从而控制步进间隔是 1S5S 之间，I/O 分配表见表 3-1。表 3-1 I/O 分配表输入点
6、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X4 频率增加X5 频率减少图 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：实现电流方向 A+A- 、实现电流方向B+B-、实现电流方向 A-A+、实现电流方向 B-B+。如果反转则按照、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+12VX1 反转运行 Y0 A+
7、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 GNDY4 A-Y5 B-Y6 A+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 K200 ms1000ms，则步进电机可获得110 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，
8、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
9、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
10、 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
11、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。
