步进电机驱动模型说明书

网络控制板实训考核装备

系

统

说

明

书

（A ）

（三菱PLC版本初稿0809）

瑞思机电科技有限公司

操作和安全注意事项

使用该系统需遵守各项安全操作。

!不要在系统运行时人为的干涉正常工作，只有在掉电状态下才能连接和断开各种电气连线。

!开机前检查项目

注意！

!电源：上电开关使用电压为 220vAC，请注意

符号，该处有220vAC；

各站工作台面上使用电压为24vDC（最大电流5A），请注意安全。

!即使关闭电源，电源模块内部仍然可能会留有高电压，请暂时不要接触电源端子。（请在确认“指示灯”熄灭后，再进行检查工作）

!请不要频繁地ON/OFF电源。在需要反复地连续ON/OFF电源时，请控制在每分钟1 次以下。（在电源模块的电源部分，有大电容，所以在ON电源时，会流过较大的充电电流0.2秒。因此，如果频繁地ON/OFF电源，则会造成电源模块内部的主电路元件性能下降。）

!在PLC编程时，请不频繁地插/拔电缆线，更不能带电插拔。否则会烧坏电缆线。

前言

自动生产设备（自动生产线）的最大特点是它的综合性和系统性。生产线的传感检测、传输与处理、控制、执行与驱动等机构在微处理单元的控制下协调有序地工作，有机地融合在一起。

可编程序控制器（PLC）以其高抗干扰能力、高可靠性、高性能价格比且编程简单而广泛地应用在现代化的自动生产设备中，担负着生产线的大脑——微处理单元的角色。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

网络控制板A教学系统的设计完全符合工业电气柜的设计模式，该电气面板由我们公司从事多年工业电气柜的工程师设计，是为提高学生动手能力和实践技能、生产的一套实用性实验设备。对实训的学生来说，具备了更强的现场认知模型。实验装置的地板采用网孔面板，所有元器件均固定在网板上面。视觉上更直观，搬运轻便，组装简单。在学生安全操作方面也做了多重保护，高低电压采用分离式布置，切控制电压均采用DC 24V安全电压，确保学生在实验中的人身安全。

本实训指导书主要阐述瑞思-网络控制板A型实训考核装备的基本结构、工作原理和工作过程。力求采用项目教学的方法介绍本装备所涉及的技术，使学生在知识的学习和综合应用，PLC的编程能力，设备的安装与调试等方面能收到较好的效果。

鉴于时间仓促和限于编者水平，书中难免有错误及不当之处，恳请读者批评指正。

目录

概述---------------------------------------------------1 第一节网络控制板A的基本结构--------------------------3 1.1网络控制板A的功能--------------------------------3 1.2 控制板的结构组成---------------------------------3 1.3 运动板的结构组成---------------------------------4 第二节主要元件的工作原理------------------------------5

一、步进驱动原理--------------------------------------5

二、步进驱动器的工作原理------------------------------7

1.2.1驱动器主要功能--------------------------------8

1.2.2系列驱动器使用要求----------------------------10

1.2.3驱动器控制信号接口----------------------------11

三、步进驱动器与电机的接线---------------------------12

四、传感器原理---------------------------------------13第三节网络控制板A的PLC控制-------------------------14 3.1 工作原理---------------------------------------14 3.2 实现工作任务的思路分析-------------------------14 3.3 编程注意事项------------------------------------14

概述

网络控制板A实训考核装备由安装在桌子实训台（长×宽×高=1400mm×750mm×770mm）上的精确步进运动控制的单元组成。其中，步进电动机、驱动器、PLC、传感器技术是是现代工业企业应用较为广泛的电气控制技术。如图所示网络控制板A实物全貌：

在该装置的电源输入部分，配有单相漏电保护开关，请务必在差拔通讯电缆及对接线要做修改时，切断输入电源，以免损坏元器件及造成不必要的人身伤害。

本实验装置的执行电压由DC 24V开关电源提供，并连接到phoenix电源端子排，给各功率器件提供24V电源。

特点与实训项目

控制板考核装备一套半开放式的设备，通过对PLC的控制方案的控制，用户在一定程度上可根据自己的需要即可自成一个独立的控制系统。

1、步进电动机的精确定位

步进电动机的精确定位是离不开步进驱动器的控制，通过对步进驱动器的细分数（由驱动器上的拨位开关的第1、2、3、4位设定）、输出电流（由驱动器上拨位开关的第7、8、9、10位设定）设置，实现步进电动机转速控制、启停控制。

2、PLC的控制方案

以其高抗干扰能力、高可靠性、且编程简单而广泛地应用。通过对PLC 软件的编程，实现控制板任何运动控制。PLC的内部主要有“输入继电器（X）、输出继电器（Y）、辅助继电器（M）、定时器（T）、计数器（C）、数据寄存器”组成。

3、传感器应用技术

在网络控制板的运动中，通过传感器对运动块位置的检测，在整个行程（左右限位之间）中，实现运动距离的控制。

4、在面板中，各接线端子均通过统一的接线端子排间接连接，并在每个端

子上均标有其对应的连接端子号，方便老师和学生在实训过程中查线和

排线。

利用网络控制板可以完成的实训任务：

1.自动检测技术使用实训

2.可编程控制器编程实训

3.步进驱动器应用实训

4.步进电动机应用实训

5.自动控制技术教学与实训

6.系统维护与故障检测实训

技术参数

外形尺寸：700×740 mm

输入电压：AC 220V

工作电压：DC 24V

额定电流：3 A

环境温度：-5-55℃(工作) -20-70℃(保存)

相对湿度: 35-85%(无冷凝)

第一节网络控制板A的基本结构

1.1网络控制板A的功能

CPU及其控制模块是该装置的核心部分，是学习和实验的主要内容。主要配置：FX2N-16MT的PLC、控制按钮显示盒、电源模块、步进驱动等对象。如图所示为控制单元实物的全貌。

此网络控制板A的主要组成可分两大类：运动板（步进电机、滚珠丝杆、行程开关、电感传感器、基架）与控制板（PLC、步进驱动器等）。通过对PLC的编程、设置驱动器的参数、传感器的检测，使电机的启动和停止在人为的控制下。

1.2 控制板的结构组成

继电器：用于步进运动轴运行出错时，急停断开。

保险丝：保护电源输出电流过大时，烧坏元件。

电源模块：为PLC、步进驱动器等提供24V电压，

PLC：装置的核心部分，学习和应用PLC是这套实训考核装备重点。

步进驱动器：设置步进电动机的电流和转速

端子排1：承PLC的所有I/O点，接各控制点“传感器、按钮的输入点”、“指示灯、步进驱动器的输出点”

端子排2：电源24V端子接入，通过端子排引出多口电源端子，满足该实验装置对24V电源的需要。

按钮盒：按钮盒是进行操作和控制的关键。各指示等均与PLC的输出点相连，而各按钮则连接到了PLC的输入点。急停按钮在进行步进控制时，更可以起到保护机构免受撞击损坏。

1.3 运动板的结构组成

步进电机：采用步距角为1.8°的两相四线制电机

滚珠丝杆：导程为4mm

行程开关：运动块的前后限，避免撞车，埙坏元件

电感传感器：检测运动块的复位、末端、中间位置

如图所示为电机与丝杆的连接：。

第二节主要元件的工作原理

一、步进驱动原理

步进机构作为独立的控制对象，不光可以使学生能掌握利用PLC驱动步进电机，通过设置的多个传感器，更能让学生学习和掌握运动控制的基本解决思路和控制技巧。

步进电动机是一种把电脉冲转换成角位移的电动机。用专用的驱动电源向步进电动机供给一系列的且有一定规律的电脉冲信号，每输入一个电脉冲，步进电机就前进一步，其角位移与脉冲数成正比，电机转速与脉冲频率成正比，而且转速和转向与各相绕组的通电方式有关。根据励磁方式的不同，步进电动机分为反应式、永磁式和感应子式（又叫混合式），而反应式步进电动机应用较多，下面以此为例来阐述步进电动机的原理。

电机型号：23HS3002

技术指标：

工作环境：-25°C ~ +55°C（温度）

10 -85%不结露（湿度）

无腐蚀性、易燃易爆、导电性气

体或液体、无金属粉尘

绝缘电阻：500V DC 100M Min

轴向间隙：0.1 --- 0.3mm

径向跳动：0.02mm Max

温升：85°C Max

绝缘强度：B

电气技术数据：

说明：“空载启动频率/转速”为实测值，测试条件：使用配套驱动器、额定相电流、推荐驱动电压、5细分状态（此数据仅供参考）。

力矩测试数据（仅供参考）

电机接口：A+（红线）、A-（绿线）、B+（黄线）、B-（蓝线）。

二、步进驱动器的工作原理

驱动器型号：MS-3H057M

电机每转步数设定（细分数设定）

该驱动器有16种步数（细分数）可选，由驱动器上的拨位开关的第1、2、3、4位设定，此16种步数基本涵盖了用户对电机步距的要求，步数设定必须在

驱动器未加电或已加电但电机未运行时才有效

驱动器输出电流设定

此型号驱动器都有16档输出电流可选，由驱动器上的拨位开关的第7、8、9、10位设定，驱动器输出三相正弦电流给电机，电流大小以有效值标称，MS-3H057M驱动器最大可提供5.2A的输入电流，电流设定分辨率为0.3A，四位拨位开关的每一位在使能状态（=1）代表一个电流值（见下表），在非使能状态（=0）代表"0"，四位开关加在一起就是驱动器的输出电流（有效值）。一般设定方法是（3.9A为例）：从最高位（第7位）开始，第7位代表2.8A，因为3.9A>2.8A，所以第7位应使能，置1。还剩3.9A-2.8A=1.1A未设置，第8位代表1.4A，因为1.1A<1.4A，所以第8位应非使能，置0。依次类推，最后开关应设置为1011状态，代表2.8+0.7+0.3=3.8A输出电流，此例设定误差0.1A。

控制信号方式设定

此驱动器有2种控制信号方式可选，由驱动器上的拨位开关的第5位设定：CP/DIR方式：电机的旋转方向由DIR换向电平控制，而步进信号取决于CP。比如说，DIR为高电平时电机为顺时针旋转，DIR为低电平时电机则为反方向逆时针旋转。此种换向方式，我们称之为单脉冲方式。拨位开关的第5位设定在“0”位置；CW/CCW方式：驱动器接受两路脉冲信号（一般标注为CW和CCW），当其中一路（如CW）有脉冲信号时，电机正向运行，当另一路（如CCW）有脉冲信号时，电机反向运行,我们称之为双脉冲方式。拨位开关的第5位设定在“1”位置保护功能

过温保护、过流保护、欠压保护、保护信号输出

2.2 MS-3H057M系列驱动器使用要求

输入电源

若为直流供电，电压误差-15%--+15%，纹波≤5% ；若为交流供电，电压误差-30%--+10%，频率为50/60Hz，使用AC220V供电时应采用隔离变压器供电工作环境

温度：-10°C～45°C；湿度：10～85%不结露；无腐蚀性、易燃易爆、导电性气体或液体；

接线

控制线最好采用屏蔽线且与电机线或电源线等强电分开，特别注意：严格禁止在和接线端子相连的线头上镀锡！否则会引起接线端子发热损坏，一般采用导线压片或直接接入，驱动器上的PE端为接地保护端，在未隔离供电的情况下，驱动器和电机必须做接地保护（建议采用隔离变压器供电）

驱动器接线示意图

2.3 MS-3H057M驱动器控制信号接口

驱动器是把计算机控制系统提供的弱电信号放大为步进电机能够接受的强电流信号，控制系统提供给驱动器的信号主要有以下三路：

1．步进脉冲信号CP：这是最重要的一路信号，因为步进电机驱动器的原理就是要把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：驱动器每接受一个脉冲信号CP，就驱动步进电机旋转一步距角， CP的频率和步进电机的转速成正比， CP的脉冲个数决定了步进电机旋转的角度。这样，控制系统通过脉冲信号CP就可以达到电机调速和定位的目的。

2．方向电平信号DIR：此信号决定电机的旋转方向。比如说，此信号为高电平时电机为顺时针旋转，此信号为低电平时电机则为反方向逆时针旋转。此种换向方式，我们称之为单脉冲方式。另外，还有一种双脉冲换向方式：驱动器接受两路脉冲信号（标注为CW和CCW），当其中一路（如CW）有脉冲信号时，电机正向运行，当另一路（如CCW）有脉冲信号时，电机反向运行。

由拨位开关的第5位决定使用何种方式。

3．使能信号EN：此信号在不连接时默认为有效状态，这时驱动器正常工作。当此信号回路导通时，驱动器停止工作，这时电机处于无力矩状态（等同于本公司SH系列驱动器的FREE信号），此信号为选用信号。

为了使控制系统和驱动器能够正常的通信，避免相互干扰，我们在驱动器内部采用光耦器件对输入信号进行隔离，三路信号的内部接口电路相同，常用的连

接方式为①共阳方式：把CP+、DIR+和EN+接在一起作为共阳端接外部系统的+5V，脉冲信号接入CP-端，方向信号接入DIR-端，使能信号接入EN-端；②共阴方式：把CP-、DIR-和EN-接在一起作为共阴端接外部系统的GND，脉冲信号接入CP+端，方向信号接入DIR+端，使能信号接入EN+端；③差动方式：直接连接。

步进电机的运行是由脉冲信号控制的，步进电机在脉冲信号的有效沿到来的时刻移动一个步距角，本驱动器的有效沿是指：脉冲信号电流"由小到大"的时刻，或者说脉冲电平"由低到高"的时刻，或者说是驱动器内部光耦"由截止到打开"的时刻。

【非5V输入信号的限流方法】驱动器输入信号的幅值为TTL电平，最大为5V，如果是则可直接接入；否则须在外

部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光耦提供8-15mA的驱动电流，参见下图和下表。

三、步进驱动器与电机的接线

驱动器的输入信号为CP+、CP-和DIR+、DIR-，参见下图。在外部接成共阳方式：把CP+和DIR+接在一起作为共阳端，由电气箱中PLC的Y0端子输出脉冲信号，且由Y2的输出与否切换电机的旋转方向。脉冲信号接入CP-端，方向信号接入DIR-端。当CP+和DIR+输入+24V时，在脉冲信号接入端CP-，方向信号接入端DIR-分别接入2K限流电阻（本模块已在内部接入2K电阻）。分别把电机的A相、B相接入驱动器的A相、B相输出端。

驱动器输入信号接口图

四、传感器原理

在运动控制部分里，三个电感传感器是用来确定运动块的运动位置和运动速度，三个电感传感器之间保持一定的距离，用来检测运动块进入不同区域的运行速度和回原点。

根据电感传感器的制造原理和实验表明：电感传感器只能检测金属物体，且检测距离比较短，但电感传感器的运行非常稳定，出现故障的概率较少。为实现对运动块检测，所以在运动块身上安装一个金属物。电感传感器的检测是通过安装在运动块上的金属，从而实现对运动块运动位置的精确检测。如图以示电感传感器原理图：

第二节网络控制板A的PLC控制

PLC担负着生产线的大脑——微处理单元的角色，学习和应用PLC是这套实训考核装备重点。

2.1 工作原理

系统上电后，首执行复位操作；按复位按钮（X003），电机开始以第一速度反向复位运行，复位传感器检测到运动块并发出信号，此时复位完成。

按启动按扭(X004)后，PLC启动步进电动机以第二速度正向旋转，通过丝杆带动运动块向前运行，中间检测传感器开始检测；当中间检测传感器检测到有物体，将给PLC发出信号,由PLC驱动步进电动机以第三速度正向旋转，当末端信号位检测到信号时，将给PLC发出信号，由PLC驱动步进电动机以第四速度反向旋转。最后运动块返回原位重新开始下一个流程。

2.2 实现工作任务的思路分析

网络控制板A是一个控制方案式的运动控制线，在设计它的整体控制程序时，应首先从它的系统性着手，通过组建电机往返运动、电机高低速运行的实验，规划两者之间通讯数据，使系统组织起来。然后根据单元的工艺任务，分别编制运动的控制程序。

2.3 编制PLC程序的注意事项

主要有步进电动机运行方向、与速度。

方向：在编程时，没有考虑到的作用，这样往往会撞上急停限位，同时也会坏设备。

速度：使用的PLC指令“PLSY”时，速度的K值不能过大，因为“PLSY”没有加、减速时间，电机一瞬间达不到要求的速度；这时，电机停机不走。

网络控制板A的I/O点