一種基于脈沖控制器控制的步進電機實驗教學電路的設計

謝述雙

(北海職業學院 機電工程系, 廣西 北海 536000)

“電機應用技術”是高職高專電氣自動化和機電一體化專業的核心課程,工程實踐性較強,步進電機及其控制是該課程的主要教學內容之一。隨著工業自動化的發展,生產自動化程度越來越高,培養學生掌握步進電機的控制技術尤為重要[1-3]。為了激發學生的學習興趣,培養應用型高技能人才,迫切需要整合、改革“電機應用技術”課程的教學內容,增加實驗實訓教學環節。目前高職院校教學中與“電機應用技術”相關的實驗基本是變壓器和三相異步電動機的通用測試、三相異步電動機的起動和正反轉空載實驗等,鮮有步進電機及其控制的內容[4-6]。PLC控制的步進電機電路系統方面的內容在一些教材里有所介紹,但只有學完所有專業課程且成績較好、PLC編程能力較強的學生，才能進行PLC控制步進電機的電路系統設計。

筆者開發的基于脈沖控制器控制的步進電機實驗教學電路兼顧了生產實際和教學的可操作性,脈沖控制器的指令較少,程序的編寫簡單易學、即學即會,很適合高職院校學生的學習特點。目前該實驗教學電路可開展的實驗有:電氣原理圖識讀、安裝和調試電路系統、編寫脈沖控制器的程序并實現步進電機以不同速度前進、后退、停止等精確定位控制。實驗教學按照項目教學法[7-8]實施,教、學、做一體化開展步進電機運動控制的理實一體化實驗教學。學生在安裝、調試電路的實驗過程中,既學習步進電機及其控制的理論知識,又訓練動手操作能力,加深對理論知識的理解和靈活運用。

1 系統的硬件設計

1.1 步進電機的控制原理及方案

步進電機能在電脈沖信號的控制下實現一定的角位移或線位移。按結構分,步進電機有反應式步進電機、永磁式步進電機和混合式步進電機。兩相混合式步進電機具有動態響應快、控制精度高、易于啟停和正反轉以及在變速、低速下仍能獲得大轉矩等特點,因而在自動化生產設備上得到廣泛應用。步進電機的控制方式有開環控制和閉環控制,其中開環控制結構簡單,無需進行控制參數設計及調試,且穩定性好、接線簡單[9-12]。

本實驗教學電路的設計選擇兩相混合式步進電機,采用開環控制模式?？刂撇竭M電機工作的脈沖信號由脈沖控制器產生。

1.2 硬件系統圖

脈沖控制器控制的步進電機實驗教學電路主要由電源模塊、脈沖控制器、步進電機驅動器、兩相混合式步進電機組成,電源模塊采用單相交流電源供電,輸出直流48 V給步進電機驅動器提供工作電源,脈沖控制器的工作電源也是單相交流電,由13和14號端子輸入。所設計的實驗電路如圖1所示。

圖1 脈沖控制器控制的步進電機實驗電路

1.3 選擇元器件

開發的脈沖控制器控制的步進電機實驗教學電路中，各元器件的名稱、型號及參數如表1所示。

表1 元器件的名稱、型號及參數

注:FU3、FU4可用交流熔斷器代替

2 系統的軟件設計

2.1 脈沖控制器介紹

脈沖控制器根據編寫的程序產生脈沖信號,用來控制步進電機的運動；步進電機的調速需要通過改變脈沖信號的頻率來實現；通過改變脈沖信號的個數來改變步進電機的角位移量,從而達到準確定位。本設計采用的CW01脈沖控制器有4種工作狀態,即自動狀態、手動狀態、程序編輯狀態、參數設定狀態。編寫程序時先切換到手動狀態,根據運行要求先設定好參數(起跳頻率、升降速、間隙補償等),再進入程序編輯狀態編寫程序。用戶可靈活編寫和修改程序以滿足控制要求。

2.2 編寫程序流程圖

安裝好圖1所示電路,根據控制要求編寫好脈沖控制器的程序,就可以實現步進電機的運行控制。程序編寫流程如圖2所示。

2.3 程序編寫實例

實驗實例的參數設置如下:步進電機的起跳頻率2.5 kHz,升降速較快,間隙補償為10。

運行要求:步進電機起動時,蜂鳴器響一短聲后以35 kHz的速度向前運行1 100萬步,使3個輸出量為111,延時10 s后以15 kHz的速度返回起始點的另一側第1 000步的位置,到達目標后停止并發出長鳴聲。

程序編寫過程是:(1)按圖2所示程序編寫流程設定參數,輸入JF=02500,rS=H,CC=0010；(2)進入程序編輯狀態,編寫程序如下:

00 OUT nnn0；蜂鳴器響一短聲

01 SPEED 35000

02 G-LEN 01000000

03 OUT 111n

04 DEPLAY 0010000

05 SPEED 15000

06 GOTO -0001000

07 OUT nnn1；蜂鳴器響一長聲

08 END

圖2 程序編寫流程圖

2.4 調試結果

按照圖2所示程序編寫流程圖進入自動運行狀態,按下“起動”按鍵并觀察步進電機的運動。如果步進電機發出“嗚嗚”悶響聲且不轉動,則起動電流過小,須按照B806步進電機驅動器的細分開關設置進行調整[12-14](見表2)。選擇不同的電流值可觀察到步進電機的起動和運行情況。

3 結語

“電機應用技術”課程在進行步進電機及其控制的實驗教學時,最大的障礙是無法開展相關的實驗教學。開發的基于脈沖控制器控制的步進電機實驗電路實現了步進電機及控制實驗從純理論教學到理實一體化教學的飛躍。通過開展電氣原理圖識讀、安裝和調試電路系統、編寫脈沖控制器的程序,實現步進電機的前進、后退、停止等精確定位控制和改變轉速參數的一系列實驗,有效訓練了學生的識圖、安裝和調試電路的工程實踐能力、邏輯思維能力、創新能力和團隊合作精神,教學效果顯著。

表2 B806步進電機驅動器的細分設定和電流設定