【正文】 任何一種產(chǎn)品成熟的過(guò)程，基本上都是規(guī)格品種逐步統(tǒng)一和簡(jiǎn)化的過(guò)程?，F(xiàn)在，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展已歸結(jié)為單段式結(jié)構(gòu)的磁阻式、混合式和爪極結(jié)構(gòu)的永磁式三類(lèi)。爪極電機(jī)價(jià)格便宜，性能指標(biāo)不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動(dòng)機(jī)，由于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有控制功率 小，運(yùn)行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導(dǎo)地位。最典型的產(chǎn)品是二相 8 極 50 齒的電動(dòng)機(jī)，步距角 176。／ 176。（全步／半步）； 還有五相 10 極 50 齒和一些轉(zhuǎn)子 100齒的二相和五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，五相電動(dòng)機(jī)主要用于運(yùn)行性能較高的場(chǎng)合。到目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已極少見(jiàn) [1]。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大的生產(chǎn)國(guó)是日本，如日本伺服公司、東方公司、 SANYO DENKI和 MINEBEA 及 NPM 公司等，特別是日本東方公司，無(wú)論是電動(dòng)機(jī)性能和外觀(guān)質(zhì)量，還是生產(chǎn)手段，都堪稱(chēng)是世界上最好的?，F(xiàn)在日本步進(jìn)電動(dòng)機(jī)年產(chǎn)量（含國(guó)外獨(dú)資公司）近 2 億臺(tái)，德國(guó)也是世界上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)大國(guó)。德國(guó) 1994年五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專(zhuān)利期滿(mǎn)后，推出了新的三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系列，為定子 6 極轉(zhuǎn)子 50 齒結(jié)構(gòu)，配套電流型驅(qū)動(dòng)器，每轉(zhuǎn)步數(shù)為 200、 400、 1000、 204000、 10000 和 20200， 它具有通常的二相和五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分辨率，還可以在此基礎(chǔ)上再 10 細(xì)分，分辨率提高 10 倍，這是一種很好的方案，充分運(yùn)用了電流型驅(qū)動(dòng)技術(shù)的功能，讓三相電動(dòng)機(jī)同時(shí)具有二相和五相電動(dòng)機(jī)的性能。與此同時(shí)，日本伺服公司也推出了他們的三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。該公司阪正 文博士研制了三種不同的永磁式三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，即 HB 型（混合式）、 RM 性（定子和混合式湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 相似，轉(zhuǎn)子則同永磁式環(huán)形磁鐵相似）和爪極 PM 型。將三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)同二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較后得出 ： 1） 在獲得小步距角方面，三相電動(dòng)機(jī)比二相電動(dòng)機(jī)要好。 2） 三相電動(dòng)機(jī)的兩相勵(lì)磁最大保持力矩為 3T1（ T1 為單相勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩），而二相電動(dòng)機(jī)為 2T1，所以三相電動(dòng)機(jī)的合成力矩大。 3） 三相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比二相電動(dòng)機(jī)要小。 4） 三相電動(dòng)機(jī)連續(xù) 2 步用于半步的轉(zhuǎn)矩差比二相電動(dòng)機(jī)的要小。 5） 三相電動(dòng)機(jī)繞組可以星形連接，三個(gè)終端驅(qū)動(dòng) ，勵(lì)磁電路晶體管 6 個(gè)； 而二相電動(dòng)機(jī)是 8 個(gè)。 6） 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原因，磁通和電流的三次諧波被消除了，所以三相電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)力矩比二相電動(dòng)機(jī)的要小 .結(jié)論是顯而易見(jiàn)的 [2]。 另外的結(jié)論是 HB 型電動(dòng)機(jī)更適合于低速大轉(zhuǎn)矩用途； RM 型適用于平穩(wěn)運(yùn)行以及轉(zhuǎn)速大于 1000r/min 的用途；而 PM 型成本低，在低轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)和高轉(zhuǎn)速時(shí)的大轉(zhuǎn)矩方面，三相 PM 型電動(dòng)機(jī)比兩相電動(dòng)機(jī)的性能要好。因此，當(dāng)前最有發(fā)展前景的當(dāng)屬混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而混合式電動(dòng)機(jī)又向以下四個(gè)方向發(fā)展： 發(fā)展趨勢(shì)一， 隨著電動(dòng)機(jī)本身應(yīng)用領(lǐng)域 的拓寬以及各類(lèi)整機(jī)的不斷小型化，要求與之配套的電動(dòng)機(jī)也必須越來(lái)越小，在 5 42 機(jī)座號(hào)的電動(dòng)機(jī)應(yīng)用了多年后，現(xiàn)在其機(jī)座號(hào)向 3 3 25 方向向下延伸。瑞士 ESCAP 公司最近還研制出外徑僅 10mm 的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 發(fā)展趨勢(shì)之二，是改圓形電動(dòng)機(jī)為方形電動(dòng)機(jī)。由于電動(dòng)機(jī)采用方型結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)子有可能設(shè)計(jì)得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高。同樣機(jī)座號(hào)的電動(dòng)機(jī)，方形的力矩比圓形的將提高 30％～ 40％ 發(fā)展趨勢(shì)之三，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。即把轉(zhuǎn)子位置傳感器，減速齒輪等和電動(dòng)機(jī)本體綜合設(shè)計(jì)在一起，這樣使其能方便地 組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。 發(fā)展趨勢(shì)之四，向五相和三相電動(dòng)機(jī)方向發(fā)展。目前廣泛應(yīng)用的二相和四相電動(dòng)機(jī)，其振動(dòng)和噪聲較大，而五相和三相電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)勢(shì)性。而就這兩種電動(dòng)機(jī)而言，五相電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路比三相電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，因此三相電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能價(jià)格比要比五相電動(dòng)機(jī)更好一些。 我國(guó)的情況有所不同，直到 20 世紀(jì) 80 年代，一直是磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)占統(tǒng)治地位，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是 80 年代后期才開(kāi)始發(fā)展，至今仍然是二種結(jié)構(gòu)類(lèi)型同時(shí)并存。盡管新的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)完全可能替代磁阻式電動(dòng)機(jī)，但磁阻式電動(dòng)機(jī)的整機(jī)獲得了 長(zhǎng)期應(yīng)用，對(duì)于它的技術(shù)也較為熟悉，特別是典型的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角（ 176。 /176。）與典型的磁阻式電動(dòng)機(jī)的步距角（ 176。 /176。）不一樣，用戶(hù)改變這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不是很容易的，這就使得兩種機(jī)型并存的局面難以在較短時(shí)間內(nèi)改變。這種現(xiàn)狀對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展是不利的。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 任務(wù) 步進(jìn)電機(jī)具有較好的控制性能，其啟動(dòng)、停車(chē)、反轉(zhuǎn)及其它任何運(yùn)行方式的改變都可在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，且可獲得較高的控制精度，因而得到了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)位移或角位移的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)子慣 量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn) ， 已成為運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的主要執(zhí)行元件之一。 隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ， 步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增 ， 在各個(gè)行業(yè)的控制領(lǐng)域都將有廣泛應(yīng)用。而現(xiàn)在的可編程控制器 (通常稱(chēng) PLC) 是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī) ， 具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活 、 高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、多種控制功能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和優(yōu)越的性?xún)r(jià)比等性能 ， 能充分適應(yīng)工業(yè)環(huán)境 ， 簡(jiǎn)單易懂 ， 操作方便 ， 可靠性高 ， 是目前廣泛應(yīng)用的控制裝置之一。 本設(shè)計(jì)是采用是 FX2N32MT 控制三相六拍的反應(yīng)步式步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)軟件設(shè)計(jì) 脈沖頻率 來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的 運(yùn)行速度，通過(guò)加減 頻率來(lái)控制步進(jìn)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 。圍繞這兩個(gè)主要方面 ， 可提出具體的控制要求如下 : 1） 可正轉(zhuǎn)運(yùn)行或反轉(zhuǎn)運(yùn)行 ； 2） 系統(tǒng)上電后，賦一個(gè)初始速度值； 3） 步進(jìn)速度 可手動(dòng) 變速 ； 本章小結(jié) 本章闡述了此次設(shè)計(jì)的背景，即步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r，和步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中的重大作用。提出了本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)，用 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)以不同的方式運(yùn)行。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第 2 章 步進(jìn)電機(jī)及 PLC 簡(jiǎn)介 步 進(jìn)電機(jī) 簡(jiǎn)介 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或者線(xiàn)位移的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。在經(jīng)歷了 一個(gè)大的發(fā)展階段后 ， 目前其發(fā)展趨于平緩。然而 ， 由于電動(dòng)機(jī)的工作原理和其它電動(dòng)機(jī)有很大的差別 ， 具有其它電動(dòng)機(jī)所沒(méi)有的特性。因此 ，沿著小型、高效、低價(jià)的方向發(fā)展。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由此而得名。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是在專(zhuān)用的脈沖電源供電下進(jìn)行的 ， 其轉(zhuǎn)子走過(guò)的步數(shù) ， 或者說(shuō)轉(zhuǎn)子的角位移量 ， 與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。另外 ， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 ， 控制性能好 ， 只要改變輸入脈沖的順序 ， 就能方便地改變其旋轉(zhuǎn)方向。這些特點(diǎn)使得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與其它電動(dòng)機(jī)有很大的差別。因此 ， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的上述特點(diǎn) ， 使得由它和驅(qū)動(dòng)控制器組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng) ， 既具有較高 的控制精度 ， 良好的控制性能 ， 又能穩(wěn)定可靠地工作。因此 ， 在數(shù)字控制系統(tǒng)出現(xiàn)之初 ， 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)歷過(guò)一個(gè)大的發(fā)展階段 [3]。 步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi) 1） 永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 度或 15度。 2） 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 度，但噪聲和振動(dòng)都很大。 3） 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，它又分為兩相和五相。兩相步進(jìn)角一般分為 度而五相步進(jìn)角一般為 度， 這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖所示。 定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成的。定子的每對(duì)極上都繞有一對(duì)繞組，構(gòu)成一相繞組，共三相稱(chēng)為 A、 B、C 相。 湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 圖 21 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖 在定子磁極和轉(zhuǎn)子上都開(kāi)有齒分度相同的小齒，采用適當(dāng)?shù)凝X數(shù)配合，當(dāng) A相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒一一對(duì)應(yīng)時(shí)， B 相磁極的小齒與轉(zhuǎn)子小齒相互錯(cuò)開(kāi) 1/3 齒距， C 相則錯(cuò)開(kāi) 2/3 齒距。如圖所示： 圖 22 A相通電定轉(zhuǎn)子錯(cuò)開(kāi)示意圖 電機(jī)的位置和速度由繞組通電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由繞組通電的順序決定。 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) 步距角 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠(chǎng)時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，這個(gè)步距角可以稱(chēng)之為“電機(jī)固有步距角”，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線(xiàn)圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為 176。/176。 、三相的為 176。 /176。 、五相的為 176。 /176。 。在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶(hù)主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿(mǎn)足自己步距角的 要求。如果使用細(xì)分驅(qū)湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 動(dòng)器，則“相數(shù)”將變得沒(méi)有意義，用戶(hù)只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。 保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說(shuō) 2Nm 的步進(jìn)電機(jī)，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 2Nm 的步進(jìn)電機(jī)。 鉗制轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有通電的情況 下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒(méi)有 鉗制轉(zhuǎn)矩 。 步進(jìn)電機(jī)主要 特點(diǎn) 1） 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 35%， 且不累積。 2） 步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高時(shí)會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料