【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 就可以省掉專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，降低硬件成本。但由于 PLC的掃描周期一般為但由于 PLC 的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)的頻率只能達(dá)到幾百赫茲，因此，受到 PLC 工作方式的限制及其掃描周期的影響，步進(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作，無(wú)法實(shí) 現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時(shí)，由于受到掃描周期的影響，相應(yīng)的控制精度就降低了。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)基本類型 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上個(gè)世紀(jì)就出現(xiàn)了，它的組成、工作原理和今天的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有什么本質(zhì)區(qū)別，也是依靠氣隙間的磁導(dǎo)變化來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。上世紀(jì) 80年代以后，由于廉價(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)指的是用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)各相繞組的通電和斷電，同時(shí)也是對(duì)繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制的技術(shù)。到目前為止，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)通常分為單 電壓驅(qū)動(dòng)、單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、升頻升壓驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。 單電壓驅(qū)動(dòng)是通過(guò)改變電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。該驅(qū)動(dòng)方式早在六十年代初期國(guó)外就已大量使用，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低 。缺點(diǎn)是串接 電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗，尤其是在高頻工作時(shí)更加嚴(yán)重，因而它適用于小功率或?qū)π阅苤笜?biāo)要求不高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)是在單電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上為電樞繞組回路串入電阻，用以改善電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。它提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻響應(yīng)、減少了電動(dòng)機(jī)的共振，也帶來(lái)了損耗 大、效率低的缺點(diǎn)。這種驅(qū)動(dòng)方式目前主要用于小功率或啟動(dòng)、運(yùn)行頻率要求不高的場(chǎng)合。 高低壓驅(qū)動(dòng)是指不論電動(dòng)機(jī)的工作頻率是多少，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來(lái)提高電流的上升沿斜率，而在前沿過(guò)后采用低電壓來(lái)維持繞組的電流，即采用加大繞組電流的注入量以提高出力，而不是通過(guò)改善電路的時(shí)間常數(shù)來(lái)使矩頻性能得 以提高。但是使用這種驅(qū)動(dòng)方式的電機(jī)，其繞組的電流波形在高壓工作 束和低壓工作開(kāi)始的銜接處呈凹形，致使電機(jī)的輸出力矩有所下降。這種驅(qū)動(dòng)方式目前在實(shí)際應(yīng)用中還比較常見(jiàn)。 為了彌補(bǔ)高低壓電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，七十 年代中期研制出斬波電路，該電路由于采用斬波技術(shù)，使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動(dòng)，流過(guò)繞組的有效電流相應(yīng)增加，故電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增大，而且不需外接電阻，整個(gè)系統(tǒng)的功耗下降，效率較高，因而恒流斬波電路得到了廣泛應(yīng)用，本文正是應(yīng)用恒流斬波技術(shù)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)控制。 為改善恒流驅(qū)動(dòng)方式的低頻特性，設(shè)計(jì)一個(gè)低速時(shí)低電壓驅(qū)動(dòng)，高速時(shí)高電壓驅(qū)動(dòng)的電路，使其成為一個(gè)由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)電源。在低速運(yùn)行時(shí)，電子控制器調(diào)節(jié)功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通角，使線路輸出的平均電壓較低，電動(dòng)機(jī)不會(huì)像在恒流斬波驅(qū)動(dòng)下那樣在低速容易 出現(xiàn)過(guò)沖或共振現(xiàn)象，從而避免產(chǎn)生明顯的振蕩。當(dāng)運(yùn)行速度逐漸變快時(shí)，平均電壓漸漸提高以提供給繞組足夠的電流。調(diào)頻調(diào)壓線路性能優(yōu)于恒電壓和恒電流線路，但實(shí)際運(yùn)行中需要針對(duì)不同參數(shù)的電機(jī)，相應(yīng)調(diào)整其輸出電壓與輸入頻率的特性。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)是指在每次脈沖切換時(shí)，不是將繞組的全部電流通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，電動(dòng)機(jī)的合成磁勢(shì)也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，繞組電流不是一個(gè)方波而是階梯波，額定電流是臺(tái)階式的投入或切除。可以說(shuō)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的一個(gè) 飛躍 。 第二章 基于單片機(jī)的步進(jìn) 電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)控制原理 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 目前，隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)以及電動(dòng)機(jī)本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)電機(jī)分類間的界面越來(lái)越模糊。就傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)可以簡(jiǎn)單地定義為 :根據(jù)輸入的脈沖信號(hào)，每改變一次勵(lì)磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度或長(zhǎng)度，若不改變勵(lì)磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動(dòng)機(jī)。從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)是一種受電脈沖信號(hào)控制的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與脈沖頻率同步的同步電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)具有其自身的特色，歸納起來(lái)有 : ，整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單廉價(jià) 。 ，不必進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，使用方便。 ，步距誤差不長(zhǎng)期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單而又具有一定精度的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，也可以要求更高精度時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng) 。 ，電動(dòng)機(jī)本體部件少，可靠性高 。 、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，響應(yīng)性也好 。 ，可有自鎖功能 。 ，可在幾十角分至 180 度大范圍內(nèi)選擇。在小步距情況下，通?？梢栽诔退傧乱愿咿D(zhuǎn)矩運(yùn)行，因而可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作 。 。 同時(shí)用一臺(tái)控制器控制幾臺(tái)步進(jìn)電機(jī)可使它們完全同步運(yùn)行 。 步進(jìn)電機(jī)的分類 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，從廣義上講，步進(jìn)電機(jī)的類型分為機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電磁式步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式 (VR)、永磁式 (PM)和混合式 (HB)三大類 。按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應(yīng)式和混合式步進(jìn)電機(jī)。 (l)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（ Variable Reluctance,簡(jiǎn)稱 VR）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是 由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒(méi)有繞組。它的結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，成本低，步距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類型 。 (2)永磁式步進(jìn)電機(jī)（ Permanent Mag,簡(jiǎn)稱 PM）永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。它輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小 (相比反應(yīng)式 )，但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電 。 (3)混合式步進(jìn)電機(jī) (Hybrid，簡(jiǎn)稱 HB)混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟 磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動(dòng)小。這種電動(dòng)機(jī)最初是作為一種低速驅(qū)動(dòng)用的交流同步機(jī)設(shè)計(jì)的，后來(lái)發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動(dòng)機(jī)也能做步進(jìn)增量運(yùn)動(dòng)。由于能夠開(kāi)環(huán)運(yùn)行以及控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，因此這種電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。 由于本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目的更注重整個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，所以只采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 的工作原理 圖 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 圖 是反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，它的定子具有均勻分布的六個(gè)磁極，磁極上有繞組。兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一組，連法如圖所示。 下面介紹反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單 、 雙六拍通電方式的基本原理。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理是利用物理上的“磁通總是力圖使自己所通過(guò)的路徑的磁阻最小”所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)一步 一 步轉(zhuǎn)動(dòng)的。以三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例。 圖 單、雙六拍通電時(shí)轉(zhuǎn)子位置 單、雙六拍通電方式的基本原理如下： 設(shè) A 相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子 A、 A39。 對(duì)齊（圖 （ a））。然后再 A 相繼續(xù)通電的情況下接通 B 相。這時(shí)定子 B、 B39。 極對(duì)轉(zhuǎn)子齒 4 產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，但是 A、 A39。 極繼續(xù)拉住齒 3，因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個(gè)磁拉力平衡為止。這時(shí)轉(zhuǎn)子的位置如圖（ b）所示，即轉(zhuǎn)子從圖 （ a）位置順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)了 15176。接著 A 相斷電， B 相繼續(xù)通電。這時(shí)轉(zhuǎn)子 齒 4 和定子 B、 B39。 極對(duì)齊，（圖 （ c）），轉(zhuǎn)子從圖 （ b）又轉(zhuǎn)過(guò)了 15176。其位置如圖 （ d）所示。這樣，如果按 A A、 B B B、 C C C、 A A??的順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子遍順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)，步距角為 15176。 電流換接六次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一 周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)了一個(gè)齒距角。如果按 A A、 C C C、 B B B、 A A??的順序通電，則電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這種通電方式稱為單、雙六拍方式。 步進(jìn)電 機(jī)的主要特性 1）步距角 步距角 ? 是決定步進(jìn)式伺服系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)。步距角越小，脈沖量越小，控制精度就越高。步距角 ? ： 360mzk? ?? 式中： m —— 定子繞組的相數(shù) z —— 轉(zhuǎn)子的齒數(shù) k—— 步進(jìn)電機(jī)的通電方式，為 m 相 m 拍時(shí)， k =1；為 m 相 2m 拍時(shí)， k =2；依此類推。 2） 每一齒距的空間角（也稱齒間夾角）為： 360zrZ??? 式中 rZ 為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。 3） 每一極距的空間角（也稱極間夾角）為： 3602m?? ?? 式中 m 為步進(jìn)電機(jī)相數(shù)。 4） 每一極距所占的齒數(shù)為 2rZm 5） 轉(zhuǎn)子齒數(shù) rZ 應(yīng)符合以下條件， 2 ( 1 )rZ p K m?? 式中 K —— 正 整數(shù)； 2p —— 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子磁極數(shù)； m —— 定子相數(shù)。 圖 步進(jìn)電機(jī)各相定子與轉(zhuǎn)子的齒距對(duì)應(yīng)關(guān)系 實(shí)際步進(jìn)電機(jī)的定子磁極與轉(zhuǎn)子圓周上都有齒，如圖 所示。定子磁極的齒距與轉(zhuǎn)子的齒距相同，只是定子磁極的齒依次