步进电机控制技术综合实验

实验目的 了解步进电机的工作原理和基本控制原理。 掌握用PLC控制步进电机硬件连线和梯形图编程方法； 掌握MPC07运动控制卡对步进电机的控制及其工作原理 熟练使用VB进行运动轨迹的编程 通过本实验提高学生对自动化控制的熟悉和了解,锻炼学生的动手和实践能力

实验器材和设备 PLC模块计算机 一台 EM-300型步进电动机控制系统 一台 一维工作台(带步进电机 α=1.8°) 一台 一维工作台(带步进电机 α=1.8°) 一台 MPC07演示软件 PLC应用板(omron SYSMAC CPM2A) 一块 步进电机驱动器 一块 霍尔传感器 一个 多功能电源板 一块 导线 若干

实验要求 能够实现以下工作循环过程(全自动单周期)如下图：行程快进工进快退速度 实现工作台断电后通电自动复位功能，即任意位置能够自动返回到零位。 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） 行程 快进 工进 快退 速度

实验仪器简介： 〈一〉、步进电机概述 步进电机是一种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，步进惦记就一步一步的转动，每个输入脉冲对应电机的一个固定转角，故称为步进电机。步进电机属于同步电机，多数情况用做伺服电机，且控制简单，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伺服电动机。 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、永磁式合混合式三大类。

实验仪器简介： 〈一〉、步进电机概述 步进电机是一种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，步进惦记就一步一步的转动，每个输入脉冲对应电机的一个固定转角，故称为步进电机。步进电机属于同步电机，多数情况用做伺服电机，且控制简单，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伺服电动机。 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、永磁式合混合式三大类。

实验仪器简介： 〈一〉、步进电机概述 3、步进电机的基本特点： 步进电机受点脉冲信号的控制。每输入以各脉冲信号，就变换以磁绕组的通电状态，电机就相应的转动以步，因此电机的总回转角合输入脉冲个数严格成正比关系，电机的转速则正比于脉冲的输入频率。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（但是不能够超出极限频率）。 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。 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。 反映时间快。 缺点：效率低、没有过载能力。

实验仪器简介： 〈一〉、步进电机概述 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°） （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。

实验仪器简介： 〈二〉、 MPC07运动控制卡的软硬件 MPC07主要适用于点位运动控制系统。 MPC07控制卡是基于PC机PCI总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元，它与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；MPC07卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。 每块MPC07卡可控制4轴步进电机或数字式伺服电机，并支持多卡共用，以实现多于四个运动轴的控制；每轴均可输出脉冲和方向信号，以控制电机的运转；同时，可外接原点、减速、限位等开关信号，以实现回原点、保护等功能，这些开关信号由MPC07卡自动检测并作出反应。另外，MPC07卡提供了的通用I/O接口，用于开关量控制。

实验仪器简介： 〈二〉、 MPC07运动控制卡的软硬件 4. MPC07卡采用先进的控制芯片，具有梯形升降速曲线，最高输出频率可达4.0MHz，有编码器反馈端口，主要适用于步进电机控制系统，也可用于有编码器反馈的数字式交流伺服系统。 5 MPC07配备了功能强大、内容丰富的Windows驱动程序、DLL函数库及示例程序。MPC07在插补算法和运动函数的执行效率方面采用了更有效的方法，提高了插补精度、插补速度和实时性。利用MPC07的示例程序既可以很快地熟悉MPC07控制卡的软、硬件功能，又可以方便快捷地测试执行电机及驱动系统在完成各种运动时的性能特性。MPC07运动函数库用于二次开发，用户只要用VC＋＋或Visual Basic等支持Windows 标准32位动态链接库（DLL）调用的开发工具编制所需的用户界面程序，并把它与MPC07运动库链接起来，就可以开发出自己的控制系统，例如：数控系统、检测设备、自动生产线等。MPC07的运动函数库能够完成与运动控制有关的复杂细节（比如：升降速、直线插补等），这样就可以大大缩短控制系统的开发周期。

实验仪器简介： 〈三〉、可编程控制器的概述 可编程控制器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omron公司的CPM2A系统。 使用该模块时注意以下事项： 在供电时不要撤卸任何单元，这样可能导致电击； 供电时不要触及任一端子或端子板，这样可能导致电击； 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； 连结导线时一定要按要求进行，否则造成不必要的元件烧坏。

实验仪器简介： 〈三〉、可编程控制器的概述 本实验主要利用PLC的特殊功能――脉冲输出控制对步进电机进行控制，因此在实验前必须对欧姆龙PLC的CPM2A的脉冲输出控制功能的编程知识进行预习。

实验步骤及内容 本实验分为二部分内容：1、通过操作可编程控制器对步进电机及一维工作台进行编程控制。2、通过对MPC07运动控制卡进行二次开发（VB编程）实现对一维工作台的编程控制。

实验步骤及内容 一）、PLC步进电机控制 <1> MOV/@MOV(传送指令) 当执行条件位ON时,将数据S传送到通道D中. 熟悉PLC实验模块、多功能实验模块、滑块和霍尔传感器,掌握其正确使用方法;（注意PLC实验模块的端口设置） 读懂所给程序,理解程序中用的各指令的功能和在程序中具体的作用,具体指令用法如下: <1> MOV/@MOV(传送指令) MOV(21) S D 当执行条件位ON时,将数据S传送到通道D中.

实验步骤及内容 一）、PLC步进电机控制 <2>SFT(移位寄存器指令) St E IN SP R 当复位端R位OFF时,再SP端的每个移位脉冲的上升沿时到E通道中的所有数据按位依次左移一位.E通道中数据的最高位溢出丢失,St通道中的最底位则移进IN端的数据;SP端没有移位脉冲则不移位;当复位打R为ON时,St到E所有通道均复位位零,且移位指令不执行.

实验步骤及内容 一）、PLC步进电机控制 <3>设置脉冲指令PULS（65） PULS(65) P N C P——端口定义 C——控制数据 （00-相对脉冲，000-相对脉冲） N——脉冲数。

实验步骤及内容 一）、PLC步进电机控制 <4> TIM定时器 SV 当执行条件为ON时，定时器进入工作状态，而当执行条件OFF时，定时器复位，恢复到SV设定值。

实验步骤及内容 一）、PLC步进电机控制 <5>速度输出指令（SPED（64）） SPED(64) P M F P——端口定义；

实验步骤及内容 一）、PLC步进电机控制 <6>模式控制（INI（61）） INI（61） P C P1 P、C意义同上，P1：PV首字。

实验步骤及内容 一）、PLC步进电机控制 3、按所给图纸正确的连接各实验模板上的接口，结好后并检查接线是否准确无误。

实验步骤及内容 一）、PLC步进电机控制 控制程序参数表： 运动过程 频率 脉冲数 行程 快进 工进 快退

实验步骤及内容 一）、PLC步进电机控制 运动次数 零位到终点距离（mm） 误差∆=|L- L总|/ L总*100% 1 L1= 2 L2= 3 L3= 4 L4= 5、完成以上操作后，整理实验台，并记录整理数据。

实验步骤及内容 二）、MPC07运动控制卡控制步进电机 连接EM-300型步进电动机控制系统与一维工作台，根据MPC07运动控制卡操作手册，熟练使用DEMO软件的控制界面对一维工作台的运动进行控制。 根据预习题1的内容，编制运动控制程序。 经指导老师检查同意后，接通EM-300型步进电动机控制系统电源，开始实验，调试程序并运行系统。 结束实验后，关闭EM-300型步进电动机控制系统电源，将实验仪器设备归位。

思考题 本实验步进电机每输入一个脉冲，滑台前进多少或后退多少？（即脉冲当量是多少？） 分析造成滑台的运动误差的原因有那些？可以用那些措施来减少实验误差？ 通过本次实验，你对在实际中选择运动控制器的意义有何认识？你对本实验有何心得体会？ 叙述运动控制程序的调试过程（VB编程）。 快退过程中，快退的行程是靠什么来控制的？事实上该控制可以近似步进电机多少个脉冲输入控制？ 霍尔传感器在本实验中的作用是什么？ 分析在滑块刚起步时、走到终点和返回到起点时，都有一个缓冲现象。（提示：从PLC试验模块进行分析） 在执行完第一个周期后，再次执行第二个周期启动时有一个明显的延迟（或者起动死区），试分析其原因和对误差有什么影响？试分析解决方法。

预习要求、报告要求 预习要求 预习MPC07运动控制卡操作手册中的有关内容： 预习可编程控制器的编程手册脉冲输出控制相关知识。 运动控制系统的开发 函数描述 常见问题及解决方法 函数索引 预习可编程控制器的编程手册脉冲输出控制相关知识。 参考MPC07运动控制卡操作手册P41中的有关内容，设计一个运动过程，在VB环境下编写完成该运动过程的程序代码。 参考可编程步进电机控制器的编程及使用说明书，设计一维工作台往复运动的控制程序，运动距离、速度，重复次数等参数请同学们自己选择，同时要求使用传感器作为限位控制。 报告要求： 通过对MPC07运动控制卡进行二次开发，请提交调试完毕，并可实际运行的程序代码。 通过对PLC步进电机控制的现场编程，请描述一维工作台的运动过程，并设计表格记录有关参数（5次取平均值），参数包括：步距角、速度、距离、方向、脉冲当量、频率等。

注意事项 必须经过实验老师检查同意后才能开启电源，接通电路。尤其是同学在运行自己设计的电路和程序时，一定要征询实验指导老师的意见，在老师检查通过后才可以进行程序的传送，电路连接。并要在断电的情况下才能进行拆装、接线。