步进电机实训教学装置的设计与实现

摘  要：通过SOLIDWORKS软件对步进电机最小控制系统进行机构设计，同时通过CAD电气控制软件系统进行电气原理图的设计，完成了实训教学装置的设计。学生在指导教师带领下，通过准备设备器材（清单）、电器元件安装固定、电气控制电路连接和电气控制电路通电实验、调试排故过程，完成了实训装置的组装与调试，这一过程对于学生理解步进电机的工作原理，具有良好的教学效果。

关键词：实训教学;教学装置;组装与调试

Abstract：Through SOLIDWORKS software，the minimum control system of stepping motor is designed. At the same time，the electrical schematic diagram is designed through the CAD electrical control software system to complete the design of the training teaching device. Under the leadership of the instructor，the students completed the assembly and debugging of the training device through the preparation of equipment （list），installation and fixation of electrical components，electrical control circuit connection and electrical control circuit energization experiments，debugging and troubleshooting. This is for students to understand the working principle of the stepper motor has a good teaching effect.

Keywords：practice teaching;teaching device;assembly and debugging

0  引  言

職业学校教育的目的是人性的提升和能力的发展。职业教育不是精英教育，是以培养技术应用型专门人才为根本任务，坚持以就业为导向，培养面向生产、建设、管理、服务的，第一线需要的“下得去，留得住，用得上”的，实践能力较强的技能人才。高职教育应体现“高等”“职业”“技术”“教育”的职业特色。

学校教师和企业工程师相互协作、共同教学，向学生传授基本理论知识和操作技能，通过理论授课和操作实践能够让学生更好地掌握理论知识并有效提高技能水平。较传统教学模式，现代学徒制教学模式更加突出实践的重要性，能够让学生从实践中加强对理论知识的理解，形成一个良性循环，因此，该模式培养出来的学生有着更强的技能水平。

本文针对电机调速课程中的步进电机控制知识点的特点，设计了一种步进电机控制最小系统，该装置是结合学校教学特点和企业实际应用需要而设计的，基本展现了一个较为完整的步进电机控制系统，重点突出步进电机控制系统的组成部分和各元件在系统中所起到的作用，通过学校教师和企业工程师共同教学，能够让学生更好地理解步进电机控制系统的组成及其工作原理。

1  步进电机控制教学

“常用电机控制与调速技术”是五年制高等职业技术学校机电技术应用专业的一门重要专业课。它的主要任务是：使学生掌握机电设备常用电机控制与调速的基本原理及方法，结合技能训练，使学生熟悉常用电机控制与调速的基本操作技能，通过较为完整的理、实一体化教学，全面提高学生的综合素质，为后续课程的学习以及学生的专业发展打下良好基础。

在常用电机调速课程中的步进电机控制知识点的教学中，理论难以讲清楚，学生动手操作部分很少，这不利于职业院校人才的培养的发展，职业学校学生需要掌握一定的专业理论知识，更注重的实际动手能力的培养，培养高素质技能型人才。因此通过教学实训装置，将其组装与调试过程融入实践课程中，由企业指导教师带领学生进行设备的组装与调试，使得学生通过操作实践与理论知识的结合，加强对课程知识点的理解。

2  步进电机控制实训装置设计

苏州高等职业技术学校专业课程教师和校企合作单位工程师共同开发了步进电机最小控制系统实训装置，首先对系统进行了机构布局图和电气原理图的设计，在此基础上，对系统进行了组装与调试，实现了步进电机最小控制系统实训装置的基本功能。

2.1  整个系统布局图的设计

利用SOLIDWORKS软件对步进电机控制最小系统进行电气布置图设计，根据带漏电保护的断路器、开关电源、步进电动机、手摇脉冲发生器、步进驱动器的尺寸及电气线路走线，合理布置各器件的位置，设计的机构三维立体效果如图1所示。

2.2  电气原理图的设计

步进电机最小控制系统主电路原理图如图2所示，主电路功能是将220 V交流电转换为24 V直流电。电路主要包含QF带漏电保护的断路器和PS开关电源。其工作过程为：L、N连接到220 V交流电，合上断路器，220 V交流电压经漏电断路器，给开关电源供电，开关电源输出24 V直流电压，供手摇脉冲发生器和步进驱动器供电。

该系统控制电路原理图如图3所示，开关电源输出24 V电压，电路主要包含：手摇脉冲发生器、雷塞步进驱动器和步进电机。其工作过程为：手摇脉冲发生器生成的脉冲信号A+、A-、B+、B-信号输入到步进驱动器的脉冲输入和方向控制端，步进驱动器输出A+、A-、B+、B-信号给步进电动机运行，手摇脉冲发生器每次发一个脉冲，步进电机就旋转一定的角度。

3  实训课程的实施

学生在企业工程师和学校老师的指导下对实训装置进行组装与调试，包含准备设备器材（清单）、电器元件安装固定、电气控制电路连接和电气控制电路通电实验、调试排故过程。

3.1  设备器材（清单）

在实训装置组装与调试前，先将相应的工具、仪表和器材等准备好。工具包含测试笔、螺钉旋具、斜口钳、尖嘴钳、剥线钳和电工刀等;仪器仪表主要是MF47万用表、测电笔;器材主要包含带漏电保护的断路器、開关电源、接地铜条等辅助元件。该步进机电控制最小系统所需的元器件、设备和固定装置的规格型号和数量如表1所示。

3.2  电器元件安装固定

学生按照元器件清单进行元器件的清点，并检查元器件是否完好、是否损坏，例如利用万用表打到电阻档，用“电阻法”对断路器的通断进行检测。根据用SOLIDWORKS软件画好的电器布置图的尺寸图，使用手动电钻对铝板进行定位打孔，定位尺寸需要符合误差范围，保证元器件装置能按照要求安装到铝板上面。接着利用螺丝刀、活动扳手，按照电器安装规范固定元器件，使得器件能够稳固在铝板上。

3.3  电气控制电路连接

学生在企业工程师指导下，按照步进电机最小控制系统的电气原理图，进行套码管的打印，导线的剥线，端子的连接、压紧，将做好的线连接到元器件上，并用螺丝刀拧紧，整个过程需要符合电气安装工艺规范实施电路布线连接。安装好的电路如图4所示。

安装完毕的控制线路板，必须按要求进行认真检查，确保接线无误后才允许通电运行。需要注意以下几项：

（1）控制板外部配线，必须按要求一律装在导线通道内，使导线有适当的机械保护，以防止液压、铁屑和灰尘侵入。

（2）按照电路图或接线图从电源端开始，逐步核对接线及接线端子处线号是否正确，有无漏接、错接之处。

（3）检查导线接点是否符合要求，压接是否牢固，注意接点基础应良好，以避免带负载运转时产生闪弧现象，再通过万用表检查线路通断和电源短路情况

3.4  电气控制电路通电实验、调试排故

学生自己检查后，需要经企业工程师再次检查，在有教师在场监护的情况下才可进行通电校验。如若在校验过程中出现故障，学生应独立进行调试、排故。

将SW5～SW8全部设置为on，则步进电动机旋转一周需要200个脉冲，对准手摇脉冲发生器的零刻度值对准卡口处位置如图5（a）所示，将手摇脉冲发生器旋转半圈（即50个脉冲），如图中浅色圈所示，则步进电机旋转1/4圈（50/200=1/4），如图5（b）中深色圈扎带所示。

将SW5～SW8分别设置为off，on，on，on，则步进电动机旋转一周需要400个脉冲，对准手摇脉冲发生器的零刻度值对准卡口处位置如图6（a）所示，将手摇脉冲发生器旋转半圈（即50个脉冲），如图中浅色圈所示，则步进电机旋转1/8圈（50/400=1/8），如图6（b）中深色圈扎带所示。

3.5  评分标准

在完成步进电机控制最小系统组装与调试后，对学生中间工作过程和实训装置进行评价，其工作评价表如表2所示。

4  结  论

本文首先阐述了实践教学在职业院校教学过程中的必要性，分析了电机调速课程中的步进电机控制知识点难以理解的现状，为此设计了一套步进电机最小控制系统的教学装置。然后通过电气布置图和电气原理图的设计，完成了实训装置。接着学生在企业工程师的指导下对实训装置进行组装与调试，包含准备设备器材（清单）、电器元件安装固定、电气控制电路连接和电气控制电路通电实验、调试排故过程，最后进行分析，得出这对学生理解步进电机系统的工作原理有良好的效果。

参考文献：

[1] 翟雄翔.常用电机控制及调速技术 [M].北京：北京理工大学出版社，2012.

[2] 陈隆昌，阎治安，刘新正.控制电机：第4版 [M].西安：西安电子科技大学出版社，2013.

[3] 坂本正文.步进电机应用技术 [M].王自强，译.北京：科学出版社，2010.

[4] 姚燕芬，潘建华.关于校企合作新模式——现代学徒制的思考 [J].当代职业教育，2014（1）：75-76+84.

作者简介：夏平（1982.02—），男，汉族，江苏苏州人，就职于机电工程系，副主任，讲师，工程硕士，研究方向：数控技术。