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指令實作步進電機正反轉和調速控制的程式
二、實訓儀器和裝置
1、FX2N-48MR PLC一台
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，它将電脈沖信号轉換成角位移，即給一個脈沖信号，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，并處于平衡狀态。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态稱為對齒，把定子小齒與轉子小齒不對齊的狀态稱為錯齒。錯齒的存在是步進電機能夠旋轉的前提條件，是以，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态時，其它繞組必須處于錯齒狀态。
本實驗的電機采用兩相混合式步進電機，其内部上下是兩個磁鐵，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産生了偏轉。因為中間連接配接的，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，原先連接配接電磁鐵的兩根線剛好就相反了，是以電磁鐵的N極S極就和以前相反了。但是電機上下的磁鐵是不變的，是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，是以電極又相反了。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。是以，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。可以根據模拟驅動電路的功能和plc必須的邏輯關系進行程式設計。
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的高速輸出信号控制步進電機的運動方向、運作速度、運作步數等狀态。其中：步進電機的方向控制，隻需要通過控制U/D端的On和Off就能決定電機的正轉或反轉；将光耦隔離的脈沖信号輸入到CP端就能決定步進電機的速度和步數；控制FREE信号就能使電機處于自由狀态。
是以PLC的控制程式相當簡單，隻需通過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。實訓面闆見圖3-4，梯形圖見圖3-5。本程式是利用D0的變化，改變T0的定時間隔，進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，進而控制步進間隔是1S～5S之間，I/O配置設定表見表3-1。
表3-1 I/O配置設定表
| 輸入點 | 輸出點 | ||
| X0 | 正轉/反轉方向 | Y0 | 電機控制脈沖 |
| X1 | 電機轉動 | Y1 | 正轉/反轉運作 |
| X2 | 電機停止 | ||
| X4 | 頻率增加 | ||
| X5 | 頻率減少 |
.
圖3-5 梯形圖
五、采用PLC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，是以将其步驟用代号分解，則為：①實作電流方向A+→A-、②實作電流方向B+→B-、③實作電流方向A-→A+、④實作電流方向B-→B+。如果反轉則按照④、③、②、①的順序控制。
PLC的I/O配置設定表按照表3-2，配置設定圖按照圖3-6，梯形圖見圖3-7。
表3-2 PLC的I/O配置設定表
| 輸入點 | 輸出點 | ||
| X0 | 正轉運作 | COM1 | DC+12V |
| X1 | 反轉運作 | Y0 | A+ |
| X2 | 自動/手動 | Y1 | B+ |
| X3 | 單步運作 | 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，程式中采用積算定時器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，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，且實作電流方向A+→A-；D1加1，然後，T246馬上自行複位，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，且實作電流方向B+→B-；D1加1，T246馬上又自行複位，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，且實作電流方向A-→A+；D1加1，T246馬上又自行複位，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3)，指定M13輸出，Y3、Y7為ON，步進電機B相通電，且實作電流方向B-→B+；當M13為ON，D1複位，重新開始新一輪正脈沖系列的産生。
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，且實作電流方向B-→B+；依此類推，完成實作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複位，重新開始新一輪正脈沖系列的産生。
當X2為ON時，程式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，分别指定M10、M11、M12及M13輸出，進而完成一輪正(反)脈沖系列的産生。
第73步中，當X4為ON，M8012為ON，M4為ON，且D0目前值，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、程式調試及執行
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緻表明程式正确，儲存程式。如果發現程式運作與控制要求不符，應仔細分析，找出原因，重新修改，直到程式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，可将D0的内容顯示出來，試設想方案，修改程式，并實驗。
圖3-7 步進電機正反轉和調速控制
程式說明
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，程式由自動轉為手動模式，由X3狀态單步觸發電機運轉；
4、當X4為ON，如D0小于1000，每100ms對D0加1，進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，進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。
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