FP1可程式控制器連結步進馬達運作回路組裝及程式撰寫

　

  1. 實習目的

1.了解步進馬達的特性。

2.熟悉步進馬達的激磁方式。

  1. 實習器材
  1. FP1 PLC　　　 1台
  2. 相步日進馬達　1個

　

  1. 實驗原理

　

(一)步進馬達的應用及規格

步進馬達(step motor)或脈波馬達(pulse motor)，不同於交流馬達、直流馬達，和飼服馬達。其因為在低轉速時有高的轉矩值，且靜止時很高的保持轉矩(holding torque)和啟動和停止，正反轉的響應良好，及旋轉角度和輸入的脈波數成正比角度誤差小的特性，因此使用開迴路控制，即可達成閉迴路控制高精確角度及高精度定位的需求。

步進馬達可能除繁雜的機械結構，使物品小形化、響應快，應用於定速運動、變形運動、角度控制或位置控制的場合，而在選用步進馬達時，可依照以下的規格與選定：

　
  1. 速度一轉矩特性曲線(speed-torque curve)

    2. 　

    　

    圖7-1是選用步進馬達最基本的圖形，圖示所示的各項規格會因激磁方法不同或驅動電路的不同而變動。

    　

  2. 最大激磁靜止轉矩(holding torque)

    3. 各相都通過額定電流，而使轉子不產生轉動的最大轉矩。

    　

  3. 無激磁保持轉矩(detent torque)

    4. 各相線圈都沒有通過電流時，轉子還能保持不轉動的轉矩。

    　

  4. 引入轉矩(pull-in gorque)

    5. 此項是決定步進馬達的轉動的角度是否能與脈波同步的規格,若起ghks 轉矩小於負載,必須先以低速起動，再達到所要求的轉速！

    　

  5. 脫出轉矩(pull-out torque)

    6. 在運轉時若負載逐漸加重，而超過脫出轉矩則會使步進馬達，失步而停止轉動。

    　

  6. 瞬時啟動停止區域(start stop region)

    7. 在無負載狀態下，步進馬達可以瞬間啟動、停止、正反轉的區間運轉。

    　

  7. 運轉區域(slew range)

    8. 由圖7-1可看出低速時高轉矩、但高速時低轉矩，若馬達想運轉於高速時，則須由低速啟動，逐漸增加速度，最後才到達預設的速度，要停止時和上面步驟相反，可參考圖7-2的說明，我們稱此曲線為運轉曲線(profile)在此區間步進馬無法作瞬時的啟動、停止、正反轉的操作。

    　

  8. 最大啟動脈波數(max starting pulse rate)

    9. 無負載時輸入步進馬達可使馬達啟動的脈波最大步率。

    　

  9. 最大運動脈波數(max slewing pulse rate)

    10. 無負載時，步進馬達運轉不產生失步的最大頻率。

    　

  10. 步級角(step angle)

    11. 每送一個脈波、馬達旋轉的角度。

    　

  11. 脈波率PPS(pulse per second)

    12. 步進馬達速度的表示單位

    　

  12. 共振(resonace)

步進馬達在某速度區間運轉時，振動變大且運轉不順暢，此速度區間稱為共振區域。

　

(二)2相步進馬達的激磁方式

目前較常使用的步進馬達，分以線圈的相數來分為２相及５相的步進馬達，因次實驗所用之步進馬達為２相，故僅介紹２相步進馬達的三種激磁方式。
  1. １相激磁

    2. 每次會１個線圈通過電流，因此轉矩小、振動較大，消耗電力小。激磁順序如圖7-3：

    　

  2. ２相激磁

    3. 每次使２個線圈激磁，因此轉矩大、振動小，是目前使用最多的方式，激磁順序如圖7-4：

    　

    　

  3. １－２相激磁

又稱為半步激磁，使１相和２相輪流激磁，因此解析度提高一倍，且運轉平順、激磁順序如圖7-5：

　

　

  1. 實驗接線圖

    2. 　

    　

  2. 示範程式
  1. １相激磁

    2. 　

    ST/ C100

    DF

    ST R901B

    ST C100

    SR WR4

    ST R40

    OT Y0

    ST R41

    OT Y1

    ST R42

    OT Y2

    ST R43

    OT Y3

    ST R9013

    ST C100

    CT 100

    K 4

    　

    　

    此程式利用C100的B接點及DF產生一個脈波訊號進入SR WR4的移位暫存器，並利用R901B的特殊暫存器自動產生脈波，使SR WR4的移位暫存器產生位移的訊號，參考圖7-3發現，相激磁的時序圖為4次一循環。故使用一個計數器等4次後，reset自己及SR WR4的移位暫存器，而R40∼R43是SRWR4所控制的接點在第一週期時，當位移訊號ON且輸入訊號ON時，則R40閉合（輸入的訊號控制），第二週期當位移訊號ON且輸入訊號OFF時，原本閉合的訊號移至R41、R40打開，至４週期後C100清除自己及移位暫存器。

    　

  2. ２相激磁

　

　

ST/ C100

ST R901B

ST C100

SR WR4

ST R40

OR R43

OT Y0

ST R41

OR R40

OT Y0

ST R42

OR R41

OT Y2

ST R43

OR R42

OT Y3

ST R901B

ST C100

CT100

K4

　

此程式和１相激磁幾乎相同，只有改變Y0∼Y3輸出的組合邏輯，參考圖7-4，２相激磁的時序圖為４週期一循環，所將計數器設定計數4次後，清除自己及移位暫存器SRWR4，A，B，A，B代表四個輸出Y0∼Y3，而每一個週期由一個暫存器記憶此時的狀態循環邏輯），再分析何時Ａ會輸出（組合邏輯），發現只有在R40，和R43（代表第一週期和第四週期）時ON，依此方法可另外找出Y1∼Y3的組合方式。

　

(三)１－２相激磁

ST/ C100

ST R901B

ST C100

SR WR4

ST R40

OR 41

OR 47

OT Y0

ST R41

OR R42

OR R43

OT Y1

ST R43

OR R44

OR R45

OT Y2

ST R45

OR R46

OR R47

OT Y3

ST R901B

ST C100

CT100

K8

　

此程式和２相激磁的寫法相同，只是１－２相激磁為８個週期一個循環，所以將計數器C100改成數８次後會reset自己及移位暫存器，再參考圖7-5，可發現Ａ相在１，２，７週期時會導通，而每一個週期的狀態由一個暫存器記憶，故由R40R47，R47組成Y0的導，Y1、Y2、Y3的組合邏輯則可依此類推。