一种基于脉冲控制器控制的步进电机实验教学电路的设计

谢述双

(北海职业学院 机电工程系, 广西 北海 536000)

“电机应用技术”是高职高专电气自动化和机电一体化专业的核心课程,工程实践性较强,步进电机及其控制是该课程的主要教学内容之一。随着工业自动化的发展,生产自动化程度越来越高,培养学生掌握步进电机的控制技术尤为重要[1-3]。为了激发学生的学习兴趣,培养应用型高技能人才,迫切需要整合、改革“电机应用技术”课程的教学内容,增加实验实训教学环节。目前高职院校教学中与“电机应用技术”相关的实验基本是变压器和三相异步电动机的通用测试、三相异步电动机的起动和正反转空载实验等,鲜有步进电机及其控制的内容[4-6]。PLC控制的步进电机电路系统方面的内容在一些教材里有所介绍,但只有学完所有专业课程且成绩较好、PLC编程能力较强的学生，才能进行PLC控制步进电机的电路系统设计。

笔者开发的基于脉冲控制器控制的步进电机实验教学电路兼顾了生产实际和教学的可操作性,脉冲控制器的指令较少,程序的编写简单易学、即学即会,很适合高职院校学生的学习特点。目前该实验教学电路可开展的实验有:电气原理图识读、安装和调试电路系统、编写脉冲控制器的程序并实现步进电机以不同速度前进、后退、停止等精确定位控制。实验教学按照项目教学法[7-8]实施,教、学、做一体化开展步进电机运动控制的理实一体化实验教学。学生在安装、调试电路的实验过程中,既学习步进电机及其控制的理论知识,又训练动手操作能力,加深对理论知识的理解和灵活运用。

1 系统的硬件设计

1.1 步进电机的控制原理及方案

步进电机能在电脉冲信号的控制下实现一定的角位移或线位移。按结构分,步进电机有反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。两相混合式步进电机具有动态响应快、控制精度高、易于启停和正反转以及在变速、低速下仍能获得大转矩等特点,因而在自动化生产设备上得到广泛应用。步进电机的控制方式有开环控制和闭环控制,其中开环控制结构简单,无需进行控制参数设计及调试,且稳定性好、接线简单[9-12]。

本实验教学电路的设计选择两相混合式步进电机,采用开环控制模式。控制步进电机工作的脉冲信号由脉冲控制器产生。

1.2 硬件系统图

脉冲控制器控制的步进电机实验教学电路主要由电源模块、脉冲控制器、步进电机驱动器、两相混合式步进电机组成,电源模块采用单相交流电源供电,输出直流48 V给步进电机驱动器提供工作电源,脉冲控制器的工作电源也是单相交流电,由13和14号端子输入。所设计的实验电路如图1所示。

图1 脉冲控制器控制的步进电机实验电路

1.3 选择元器件

开发的脉冲控制器控制的步进电机实验教学电路中，各元器件的名称、型号及参数如表1所示。

表1 元器件的名称、型号及参数

注:FU3、FU4可用交流熔断器代替

2 系统的软件设计

2.1 脉冲控制器介绍

脉冲控制器根据编写的程序产生脉冲信号,用来控制步进电机的运动；步进电机的调速需要通过改变脉冲信号的频率来实现；通过改变脉冲信号的个数来改变步进电机的角位移量,从而达到准确定位。本设计采用的CW01脉冲控制器有4种工作状态,即自动状态、手动状态、程序编辑状态、参数设定状态。编写程序时先切换到手动状态,根据运行要求先设定好参数(起跳频率、升降速、间隙补偿等),再进入程序编辑状态编写程序。用户可灵活编写和修改程序以满足控制要求。

2.2 编写程序流程图

安装好图1所示电路,根据控制要求编写好脉冲控制器的程序,就可以实现步进电机的运行控制。程序编写流程如图2所示。

2.3 程序编写实例

实验实例的参数设置如下:步进电机的起跳频率2.5 kHz,升降速较快,间隙补偿为10。

运行要求:步进电机起动时,蜂鸣器响一短声后以35 kHz的速度向前运行1 100万步,使3个输出量为111,延时10 s后以15 kHz的速度返回起始点的另一侧第1 000步的位置,到达目标后停止并发出长鸣声。

程序编写过程是:(1)按图2所示程序编写流程设定参数,输入JF=02500,rS=H,CC=0010；(2)进入程序编辑状态,编写程序如下:

00 OUT nnn0；蜂鸣器响一短声

01 SPEED 35000

02 G-LEN 01000000

03 OUT 111n

04 DEPLAY 0010000

05 SPEED 15000

06 GOTO -0001000

07 OUT nnn1；蜂鸣器响一长声

08 END

图2 程序编写流程图

2.4 调试结果

按照图2所示程序编写流程图进入自动运行状态,按下“起动”按键并观察步进电机的运动。如果步进电机发出“呜呜”闷响声且不转动,则起动电流过小,须按照B806步进电机驱动器的细分开关设置进行调整[12-14](见表2)。选择不同的电流值可观察到步进电机的起动和运行情况。

3 结语

“电机应用技术”课程在进行步进电机及其控制的实验教学时,最大的障碍是无法开展相关的实验教学。开发的基于脉冲控制器控制的步进电机实验电路实现了步进电机及控制实验从纯理论教学到理实一体化教学的飞跃。通过开展电气原理图识读、安装和调试电路系统、编写脉冲控制器的程序,实现步进电机的前进、后退、停止等精确定位控制和改变转速参数的一系列实验,有效训练了学生的识图、安装和调试电路的工程实践能力、逻辑思维能力、创新能力和团队合作精神,教学效果显著。

表2 B806步进电机驱动器的细分设定和电流设定