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实验一运动控制器与步进电机控制系统实验一、实验目的1、了解三维数控实验台的运动控制系统及其接口工作原理；2、掌握步进电机控制工作原理和连接方法。二、实验原理1.运动控制器GXYZ系列工作台集成有GT-400-SV4轴运动控制器、电机及其驱动、电控箱、运动台、光栅尺等部件。各部件全部设计相对独立的模块，便于面向不同实验进行重组。机械部分是一个采用滚珠丝杠传动的模块化三维工作台，用于实现目标轨迹和动作。控制装置和电机（执行装置）之间的连接示意如下图所示：图1-1控制系统原理图运动控制器是以中央逻辑控制单元为核心、以传感器为信号元件，以电机/动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。主要用于对机械传动装置的位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。与传统的数控装置相比，运动控制器具有以下特点：技术更新，功能更强大，可以实现多种运动轨迹控制，是传统数控装置的换代产品；结构形式模块化，可相互组合，建立适用于不同场合、不同功能需求的控制系统；操作简单，在PC上经简单编程即可实现运动控制，而不一定需要专门的数控软件。2.步进驱动装置步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。步进电机作为一种控制精密位移及大范围调速专用的电机,它的旋转是以自身固有的步距角（转子与定子的机械结构所决定）一步一步运行的,其特点是每旋转一步，步距角始终不变，能够保持精密准确的位置。所以无论旋转多少次，始终没有积累误差。由于控制方法简单，成本低廉，广泛应用于各种开环控制。步进电机驱动器是分配脉冲给步进电机的功率型电子驱动装置。它接收控制系统发出的脉冲信号，按照步进电机的结构特点，顺序分配脉冲，实现控制角位移、旋转速度、旋转方向、制动加载状态、自由状态。控制系统每发一个脉冲信号,通过驱动器就能够驱动步进电机旋转一个步距角。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。角位移量与脉冲个数相关步进电机步距角：给定一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。脉冲当量：步进电机每走1毫米需要的脉冲数，单位：脉冲/mm。脉冲当量影响数控机床的加工精度。导程：是指圆柱面上的一条螺旋线与该圆柱面的一条直母线的两个相邻交点之距离。比如丝杠，导程5的丝杠就是每两个丝的间距是5mm。步进电机的细分：几细分就相当于“控制精度”增加了几倍(每个脉冲所使电机转动的角度就小了，执行过程中丢几个脉冲所产生的误差就小了，控制精度就高了。例如原来电机转一圈用200个脉冲，如果做2细分，那么电机转一圈就要400(200*2)个脉冲了。具体细分数可以看驱动器上的拨码。细分越多，每个脉冲的步进长度越短，细分的多少可由驱动器设置。驱动器上的八位拨码开关组SW1-SW3可用来设置动态电流，SW4可设置静态电流，SW5-SW8，可用来设置细分选择，具体细分设置如下表：表1-1细分设定细分倍数步数/圈（1.8°/整步）SW5SW6SW7SW82400OFFONONON4800ONOFFONON81600OFFOFFONON163200ONONOFFON326400OFFONOFFON6412800ONOFFOFFON12825600OFFOFFOFFON51000ONONONOFF102000OFFONONOFF204000ONOFFONOFF255000OFFOFFONOFF408000ONONOFFOFF5010000OFFONOFFOFF10020000ONOFFOFFOFF12525000OFFOFFOFFOFF步进电机脉冲当量的计算方法：1）测定丝杠导程。2）通过步进电机型号确定步距角，计算电机走一圈的步数，即脉冲数。3）通过查看驱动器上的拨码确定细分数。例如8细分就是把步距角再分成8次，那么电机每一步进的度数就是步距角/8，电机每转一圈的步数（需要的脉冲数）就是步距角×8。4）导程的丝杠每转一圈就是导程，每一步进的距离就是导程/电机每转一圈的步数，这就是电机精度。5）用1除以电机精度就是脉冲当量，即每走1毫米需要多少步进。即：脉冲当量=细分数步距角360/导程三、实验设备三维数控实验台、GT-400-SV-PCI-R运动控制器、步进电机及驱动、电控箱、PC机等。步进电机和驱动器为国产雷格，步进电机型号：2HS57-76，电机步矩角1.8°，保持转矩1.35Nm，额定电流：3.0A。图1-2驱动器信号示意图图1-3驱动器接线示意图表1-2驱动器信号描述四、实验步骤1.松开联轴器，将电机与传动丝杠脱开。2.打开电控箱。3.根据步进电机接线图和步进驱动器接口说明检查步进电机和驱动器的连接方式。4.进行电机调速实验：双击进入SV卡调试窗口GTCmdPCI-CH点击小齿轮符号，即Axisbasedcontrol，基于轴的控制对话框选轴3，选伺服电机打开/关闭打对勾，其它不变选步进电机在梯形曲线下，设定目标位置，即脉冲数：10000，加速度0.1,速度1-10m/min，点击清状态、参数更新，观察实验台上3轴电机转动圈数与屏幕右下角3轴目标位置关系。如需置零，可点击位置清零。调整速度和加速度，观测步进电机对这两个参数的响应，理解步进电机主要参数特性在运行过程中的具体体现。5.对电机的脉冲当量进行测定。6.接线都确认正常，电脑上电后，打开电控箱的船型开关给设备供电，并打开软件到主界面。7.点击主界面的控制系统实验，界面显示如下:8.点击“主轴开”，主轴启动。9.通过点击“卡初始化”、”轴开启”，点动距离设置10mm，点动速度设置1m/min，分别点动3轴+、3轴-，观察3轴的变化。五、实验记录及数据处理1.计算脉冲当量：步进电机步距角：α=1.8°细分：进给脉冲数（即电机走一圈的脉冲数）：丝杆导程：脉冲当量（计算公式及结果）：2.绘制控制器与步进电机及驱动器接线示意图3.根据驱动器接线示意图说明步进电机的控制方法及需要哪些重要的控制信号。