步进电机控制技术综合实验-指导书2013-10

机械设计制造及其自动化专业实验
——机电控制实验
步进电机控制技术综合实验
————可编程控制器控制滑台的速度、位置
实验指导书
重庆理工大学
重庆汽车学院
实践教学及技能培训中心
2012年10月
学生实验守则
1．学生应按照实验教学计划和约定的时间，准时上实验课，不得迟到早退。

2．实验前认真阅读实验指导书，明确实验目的、步骤、原理，预习有关的理论知识，并接受实验教师的提问和检查。

3．进入实验室必须遵守实验室的规章制度。

不得高声喧哗和打闹，不准抽烟、随地吐痰和乱丢杂物。

4．做实验时必须严格遵守仪器设备的操作规程，爱护仪器设备，服从实验教师和技术人员指导。

未经许可不得动用与本实验无关的仪器设备及其它物品。

5．实验中要细心观察，认真记录各种试验数据。

不准敷衍，不准抄袭别组数据，不得擅自离开操作岗位。

6．实验时必须注意安全，防止人身和设备事故的发生。

若出现事故，应立即切断电源，及时向指导教师报告，并保护现场，不得自行处理。

7．实验完毕，应主动清理实验现场。

经指导教师检查仪器设备、工具、材料和实验记录后方可离开。

8．实验后要认真完成实验报告，包括分析结果、处理数据、绘制曲线及图表。

在规定时间内交指导教师批改。

9．在实验过程中，由于不慎造成仪器设备、器皿、工具损坏者，应写出损坏情况报告，并接受检查，由领导根据情况进行处理。

10．凡违反操作规程，擅自动用与本实验无关的仪器设备、私自拆卸仪器而造成事故和损失的，肇事者必须写出书面检查，视情节轻重和认识程度，按学院有关规定予以赔偿。

重庆理工大学
说明
1.同学可以登录学校的“实验选课系统”（从学校首页登陆：或从数字
校园登录），自己进行实验项目的选择。

希望同学们能在每个实验项目开放的时间内尽早进行实验预约（预约时间必须比实验上课时间提前3天），因为学生数量比较多，如果某实验项目开放的时间内同学未能进行实验预约，则错过该实验项目的实验机会，补做就要在该实验项目下一次开放时进行。

2.如有什么问题，同学可以拨打电话62563127联系张君老师。

步进电机控制技术综合实验
一、实验目的:
1、通过本实验提高学生对自动化控制的理解,同时锻炼学生的动手和实践能力。

2、熟悉控制步进电机的控制及其工作原理，掌握步进电机的各个参数及其意义。

3、熟悉PLC 的基本控制指令、内部资源,及脉冲输出控制、数据传送等应用指令,熟练掌握PLC 的编程技巧。

二、实验设备
1、十字滑台(带步进电机 α=1.8°)（X/Y 每轴左右端各1个接近开关，每轴并联安装）
2、PLC 模块(EMERSON EC20H-1616BTA4)
3、步进电机驱动器一台，当细分数为1时，步进电机矩频特性最高频率为1000—1200HZ
4、转速计一台
5、计算机一台
6、多功能电源板
三、实验要求:
1、能够实现以下工作循环过程(全自动单周期)如下图：
2、利用行程开关实现极限位置保护功能（即滑块触到极位开关就停止运行）
三、实验仪器简介：
〈一〉、步进电机及驱动器概述：
1、步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的机电执行元件。

当有脉冲信号输入时，步进电机就一步一步的转动，每个输入脉冲对应电机的一个固定转角（步距角），故称为步进电机。

步进电机属于同步电机，多数情况用做开环控制电机，其控制简单，工作可靠，能够得到较高的精度。

它是唯一能够以开环结构用于数控机床的电动机。

2、步进电机按其励磁相数可分为三相、四相、五相、六相等；按其工作原理可分为反应式、永磁式和混合式三大类。

3、步进电机的基本特点：
〈1〉步进电机受电脉冲信号的控制。

每输入一个脉冲信号，就变换一次绕组的通电状态，电机就
行程
快进
工进
快退
速度
相应的转动一步，因此电机的总回转角与输入脉冲个数严格成正比关系，电机的转速则正比于输入脉冲的频率。

改变步进电机的定子绕组的通电顺序，可以获得所需要的转向。

改变输入脉冲频率，则可以得到所需要的转速（注意：不能超出步进电机的极限频率）。

〈2〉当步进电机脉冲输入停止时，只要维持绕组的激励电流不变，电机保持在原固定位置上，因此可以获得较高的定位精度，不需要安装机械制动装置从而达到精确制动。

〈3〉误差不长期积累，转角精度高。

由于每转过360°后，转子的累积误差为零，转角精度较高。

〈4〉反映时间快。

〈5〉缺点：步进电机的效率低，没有过载能力。

4、步距角的大小和通电方式、转子齿数、定子励磁绕组的相数的关系：（本实验α=1.8°）
α=360°/mZK
m——步进电机的相数；
Z——转子齿数；
K——通电方式系数。

相邻两次通电，相的数目相同K=1；相邻两次通电，相的数目不同K=2。

本实验台采用的是乐创公司的两相步进电机DM5676C
5、步进电机驱动器：
DMD402、DMD402A 是乐创公司研发的步进电机细分驱动器，它们具有高性能、低价格的特点，适合驱动两相或四相混合式步进电机。

由于采用新型的双极性恒流斩波驱动技术，使用同样的电机时可以比其它驱动方式输出更大的功率。

其细分功能使步进电机低频振动减小，噪声降低，同时有助于运转精度提高。

一个完整的步进电机控制系统应含有步进电机、步进驱动器、供电电源以及控制器（脉冲源）。

以下是一典型系统控制连线图。

详细应用说明请参看
《DMD402/DMD402A使用手册》。

（二）滑台的概述（如下图所示）
由图可知，此滑台由步进电机、滑块、滚动丝杆、等组成。

其中丝杆的参数：
螺距（单位mm ）： 脉冲当量： 有效行程（单位mm ）：L=丝杆螺纹长度-丝杆螺母幅长度
使用滑台时应注意:
当滑台运动到两端尽头时，应该立即停止,否则容易引起步进电机或者是步进电机驱动器烧坏。

因为这时步进电机有很大的负载,根据步进电机负载特性可知,步进电机的负载能力很差,所以容易烧坏。

〈三〉可编程控制器的概述：
可编程控制器（PLC ）是在继电器控制和计算机控制基础上发展起来的新型工业自动控制装置。

因此，PLC 实际上就是一种工业控制微机，因而它的硬件结构与一般微机控制系统相似，其主体由微处理器（CPU ）、存储器、输入模块、输出模块、电源及编程器组件构成。

本实验所用的PLC 是艾默生公司的EC20H 系统。

步进电机 丝杆 导轨
使用该模块时注意以下事项：
1、在供电时不要撤卸任何单元，这样可能导致电击；
2、供电时不要触及任一端子或端子板，这样可能导致电击；
3、在传送程序给其它节点时，或在对I/O存储器进行改变时，在传送前要确认目的节点的安
全；
4、连结导线时一定要按要求进行，否则将烧坏元件。

〈四〉、行程开关的简介
红——常开触点的一端；
蓝——常开触点的另一端；。

工作原理：当工作台触及行程开关或者靠近它时，常开触点闭合，PLC接收闭合信号，控制执行机构停止运动，从而达到零位保护、极限位置保护、行程控制等等的作用。

行程开关不仅仅反应灵敏，而且价格低廉，精度高。

四、实验原理：
利用PLC的高速脉冲输出功能实现对步进电机的启停、方向、速度、运动距离（步数）的控制。

相关指令、资料参见艾默生PLC使用手册及X_Builder的帮助文档。

四、实验步骤：
1、熟悉PLC实验模块、多功能实验模块、十字滑台和行程开关,掌握其正确使用方法。

（注意PLC实验模块的端口设置）
2、预习并读懂本指导书附页所给的基本模块程序,理解程序中用的各指令的功能和在程序中的作用,完成表格一（附后）。

3、按样机正确的连接各实验模板上的接口，接好后并检查接线是否准确无误。

并绘出系统电路图。

（完成后，由指导老师检查）
4、完成以上工作后，按照下述的开关设定和操作，控制滑台的运动。

（1）、步进电机双速正反向控制（定步长手动触发电机旋转，行程开关限位）
按照指导书附页所给出的梯形图进行实验。

输入端口功能定义：X0：速度1启动；X1：速度2启动；X2:正方向进给；X6：负方向进给；X3:限位开关，1有效；X4:急停。

输出端口功能定义：Y0：脉冲输出；Y10:方向输出。

在正方向进给时，如超过正方向限位开关，正方向进给立即停止。

在负方向进给时，如超过负方向限位开关，负方向进给立即停止。

（2）全自动单周期运动
独立设计梯形图，由PLC控制步进电机完成“快进-工进-快退”工作循环。

提示：控制逻辑、计时器的应用，特殊中间继电器SM82的使用。

5、用光电测速计测量步进电机的转速并记录，调整PLC程序的速度指令参数后，再次测量步进电机的转速，完成表格二。

6、验证滑台的左、右极限位置的保护功能，完成表格三。

7、完成以上操作后，整理实验台，并记录整理数据。

六、实验思考：
见报告书。

表格：
1、
步进电机步距角：α=1.8°细分：进给脉冲数：测量行程：
2、
取一组数据进行理论验证：
附页：程序
步进电机正反向双速定长控制PLC程序。