【文章內(nèi)容簡介】 電動機又稱為磁阻式步進電動機。其中典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。這是一臺四相電機，定子鐵芯由硅鋼片疊成，定子上有8個磁極（大齒），每個磁極上又有許多小齒。四相步進電動機共有4套定子控制繞組，繞在徑向相對的兩個磁極上的一套繞組為一相。轉(zhuǎn)子也是由疊片鐵芯構(gòu)成，沿圓周有很多小齒，轉(zhuǎn)子上沒有繞組。根據(jù)工作要求，定子磁極上小齒的齒距和轉(zhuǎn)子上小齒的齒距必須相等，而且轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有一定的限制[8]。圖3 四相步進電動機的結(jié)構(gòu)圖4步進電機的自動門控制系統(tǒng)硬件的設計該設計包括信號傳送部分、電機運行部分、PLC控制部分，此系統(tǒng)是由PLC控制四相八拍步進電機根據(jù)人和車輛進出的狀況，產(chǎn)生信號傳送給PLC，PLC根據(jù)內(nèi)部編程設定，進行相關(guān)處理后輸出，以便控制電機線路等外部電路元件的通斷，實現(xiàn)門的自動開關(guān)。此外為使此次設計的實用性更強、更具人性化，設計中應滿足以下要求：(1)按下正向啟動按鈕，自動門按正向轉(zhuǎn)動，按下反向啟動按鈕，自動門按反向轉(zhuǎn)動；(2)步進電機慢步為1步/秒，快步為10步/秒； 本設計的任務要求四相八拍步進電機控制自動門的設計要求：當人或車輛到來時，按下按鈕，安裝在門上的超聲波開關(guān)將門打開，打開到一定寬度后停止；當人或車輛通過后按下反向按鈕超聲波開關(guān)發(fā)出信號，關(guān)閉自動門。并且在自動門打開或關(guān)閉的同時，可以通過開關(guān)按鈕來控制步進電機快步或慢步打開或關(guān)閉。 本設計的可行性分析當人或車輛到來時，按下按鈕，超聲波開關(guān)輸出一個信號，表示人或車輛要通過，請求打開自動門，這個信號輸入自動門控制系統(tǒng)的PLC，PLC根據(jù)程序，接通開啟電機使其工作，電機通過相應的機械機構(gòu)開啟自動門。當自動門打開一定的寬度后，停止按鈕，從而停止步進電機運行，保證自動門的寬度合理；當人或車輛通過后，按下反向按鈕，超聲波開關(guān)輸出一個信號，信號輸入到PLC，步進電機快步或慢步驅(qū)動自動門關(guān)閉，達到下限位開關(guān)后，步進電機停止工作，自動門關(guān)閉。步進電機是一種用電脈沖進行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相位移的電機。其機械位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機繞組的脈沖個數(shù)和脈沖頻率成正比。，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。步進電機每輸入一個電脈沖就前進一步，其輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比。因此可以根據(jù)步進電機的輸出位移量確定PLC輸出的脈沖個數(shù)，即可實現(xiàn)對步進電機的步數(shù)控制。n=△L/δ，式中△L為步進電機的輸出位移量(mm)，δ為機構(gòu)的脈沖當量(mm/脈沖)；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。四相八拍的步進電動機其通電方式為AABBBCCCDDDAA………即單相通電和兩相通電相間時。當A相通電轉(zhuǎn)到A、B兩相同時通電時，定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置如圖4所示（只畫出A、B兩個極下的齒），轉(zhuǎn)子按順時針方向只轉(zhuǎn)過1/8齒距角，A極和B極下的齒軸線和轉(zhuǎn)子齒軸線都還錯開1/8齒距角。轉(zhuǎn)子受到兩個極的作用力距大小相等，方向相反，故仍處于平衡。當B相一相通電時，轉(zhuǎn)子齒軸線和B極下齒軸線相重合，轉(zhuǎn)子按順時針方向又轉(zhuǎn)過1/8齒距角。這樣繼續(xù)下去，每換接一次繞組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/8齒距角?？梢娝南喟伺牟竭M電動機的運行是受脈沖控制的。圖4 A、B兩相通電時定、轉(zhuǎn)子齒的相對位置圖根據(jù)上述的工作原理可以歸納步進電動機基本特點如下： (1)步進電動機工作時，每相繞組由專門驅(qū)動電源通過“環(huán)形分配器”按一定規(guī)律輪流通電。例如一個按三相雙三拍運行的環(huán)形分配器輸入是一路，輸出有A、B、C三路。若開始是A、B這兩路有電壓，輸入一個控制脈沖后，就變成B、C這兩路有電壓，再輸入一個電脈沖，則變成C、A這兩路有電壓，再輸入一個脈沖，又變成A、B這兩路有電壓了。環(huán)形分配器輸出的各路脈沖電壓信號，經(jīng)過各自的放大器放大后送入步進電動機的各相繞組，使步進電機一步步轉(zhuǎn)動。圖5表示三相步進電動機控制方框圖，圖6表示三相雙三拍運行時控制電脈沖及各相控制電壓隨時間變化的波形圖。圖5 控制方框圖圖6 三相雙三拍運行時各相控制電壓波形圖步進電動機這種輪流通電的方式稱為“分配方式”。每循環(huán)一次所包含的通電狀態(tài)數(shù)稱為“狀態(tài)數(shù)”或“拍數(shù)”。狀態(tài)數(shù)等于相數(shù)的稱為單拍制分配分配方式（如三相雙三拍、四相雙四拍等），狀態(tài)數(shù)等于相數(shù)的兩倍的稱為雙拍制分配方式（如三相六拍，四相八拍等）。同一臺電機可有多種分配方式。不管分配方式如何，每循環(huán)一次，控制電脈沖Uk的個數(shù)總等于拍數(shù)N，而加在每相繞組上的脈沖電壓（或電流）個數(shù)卻等于1，因而控制電脈沖頻率f是每相脈沖電壓（或電流）頻率fx的N倍，即fx=f/N。(2)每輸入一個脈沖電信號轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，用符號w表示。從上面分析可見，當電機在四相八拍運行，即按AABBBCCCDDDA……順序通電時，換接一次繞組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為1/8齒距角；轉(zhuǎn)子需要走8步才轉(zhuǎn)過一個齒距角。由于轉(zhuǎn)子相鄰兩齒間的夾角，即齒距角為w=360度/Zr(式中，Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù))，所以轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的空間角度（機械角度），即齒距角為w=360度/Zr*N,式中N為運行拍數(shù)，N=km(k=1,2。m為相數(shù))。(3)步進電動機可以按特定指令進行角度控制，也可以進行速度控制。角度控制時，每輸入一個脈沖，定子繞組就換接一次，輸出軸就轉(zhuǎn)過一個角度，其步數(shù)與脈沖數(shù)一致，輸出軸轉(zhuǎn)動的角位移量與輸入脈沖數(shù)成正比。速度控制時，送入步進電動機的是連續(xù)脈沖，各相繞組不斷地輪流通電，步進電機連續(xù)運轉(zhuǎn)，它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。每輸入一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度是整個圓周角的1/Zr*N，也就是轉(zhuǎn)過1/Zr*N轉(zhuǎn)，因此每分鐘轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的圓周數(shù)，即轉(zhuǎn)速為n=60f/Zr*N(r/min),式中f為控制脈沖的頻率，即每秒輸入的脈沖數(shù)。另外，若改變通電順序，即改變定子磁場旋轉(zhuǎn)的方向，就可以控制電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。所以，步進電動機是用電脈沖進行控制的電機。改變電脈沖輸入的情況，就可方便地控制它，使它快速啟動、反轉(zhuǎn)、制動或改變轉(zhuǎn)速。(4)步進電機具有自鎖能力。當控制脈沖停止輸入，而讓最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)通直流電時，電機可以保持在固定的位置上，即停在最后一個脈沖控制的角位移的終點位置上。這樣，步進電動機可以實現(xiàn)停車時轉(zhuǎn)子定位。綜上所述，由于步進電動機工作時的步數(shù)或轉(zhuǎn)速既不受電壓波動和負載變化的影響（在允許負載范圍內(nèi)），也不受環(huán)境條件（溫度、壓力、沖擊、振動等）變化的影響，只與控制脈沖同步，同時它又能按照控制的要求，實現(xiàn)啟動、停止、反轉(zhuǎn)和改變轉(zhuǎn)速。因此，步進電動機被廣泛地應用于各種數(shù)字控制系統(tǒng)中[2]。(1)空載啟動頻率:即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。(2)電機固有步距角： 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，176。/176。（176。、176。），這個步距角可以稱之為“電機固有步距角”， 它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。(3)步進電機的相數(shù)： 是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，176。/176。、176。/176。、176。/176。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則‘相數(shù)’將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以改變步