【文章內(nèi)容簡介】 成的，無論如何，其轉(zhuǎn)子是一個磁源。在反應(yīng)式步進電動機中，其轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成齒狀，轉(zhuǎn)子的齒也稱顯極。在這種步進電動機的轉(zhuǎn)子中沒有繞組。因為反應(yīng)式步進電動機有力矩/慣性比高，步進頻率高，頻率響應(yīng)快，不通電時可自由轉(zhuǎn)動，可雙向轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)簡單和壽命長等特點。所以選用反應(yīng)式步進電動機。反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu)如下圖1所示：這是一個三相步進電動機。在反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)中，分成定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。在定子上有6個大極，每個大極上繞有繞組。對稱的大極繞組形成一組繞組，也即形成一相控制繞組。顯然，分別產(chǎn)生了A，B，C三相繞組，正因這三相控制繞組的存在，才使步進電動機產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。在每個大極上，面向轉(zhuǎn)子的部分分布著多個小齒，這些小齒呈梳壯布列，并大小相同，間距相等。反應(yīng)式步進電動機的轉(zhuǎn)子由軟材料制成，外部呈齒狀的圓柱體。轉(zhuǎn)子中的小齒和定子的小齒形狀相似，齒矩相同。所以定子大極的齒和轉(zhuǎn)子的齒是對應(yīng)吻合的。在定子大極中，其中心線是齒的中心線，在有些反應(yīng)式步進電動機中是槽的中心線。圖1 反應(yīng)式步進電動機結(jié)構(gòu)反應(yīng)式步進電動機的齒距角θs組可以用下式來表示：Θs=360176。/(mzrc)=360176。/（3240）=176。式中，c為通電方式系數(shù)，m為控制繞組的相數(shù)，zr為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。純單拍或純雙拍時取為1，單、雙拍交替時取2。三相反應(yīng)式步進電機的三相六拍通電方式的步距角比純單拍或純雙拍通電方式的小一倍。步進電動機相繞組通常有二相、三相、四相及五相等。相數(shù)越多，步距角越小。步距角確定后，通以一定頻率f的脈沖，將產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)速n(r/min).即: n=60f/(mzrc)=6050/（3240）=反應(yīng)式步進電動機的繞組通常由單極性脈沖供電，一般由基本脈沖串和輔助脈沖串進行換向控制步進工作。有時也采用雙極性脈沖供電。 步進電機工作原理及工作方式步進電機是將給定的電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。 給定一個電脈沖信號，步進電機轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，這個角度就稱作該步進電機的步距角。（俗稱一步）（俗稱半步）。，當我們給步進電機一個電脈沖信號，；給兩個脈沖信號。以此類推，連續(xù)給定脈沖信號，步進電機就可以連續(xù)運轉(zhuǎn)。由于電脈沖信號與步進電機轉(zhuǎn)角存在的這種線性關(guān)系，使得步進電機在速度控制、位置控制等方面得到了廣泛的應(yīng)用。步進電機的速度控制是通過輸入的脈沖頻率快慢實現(xiàn)的。當發(fā)生脈沖的頻率減小時，步進電機的速度就下降；當頻率增加時，速度就加快。還可以通過頻率的改變而提高步進電機的速度或位置精度。步進電機的位置控制是靠給定的脈沖數(shù)量控制的。給定一個脈沖，轉(zhuǎn)過一個步距角，當停止的位置確定以后，也就決定了步進電機需要給定的脈沖數(shù)。在包裝機控制中，給定脈沖數(shù)的多少，還與機構(gòu)的參數(shù)有關(guān)。在包裝機械中，很多情況下需要控制執(zhí)行機構(gòu)的運行速度和運行位置，以前都是通過機械或其它方式來完成的，機構(gòu)復雜、調(diào)節(jié)不易。改用步進電機后，不僅能使包裝機械結(jié)構(gòu)變得簡單、調(diào)節(jié)方便、可靠性增加，而且粗度會得到很大提高。反應(yīng)式步進電動機的工作方式：1. 三相反應(yīng)式步進電動機各相為A，B，C相。如果換相方式為ABCA，則電流切換三次，即換相三次時，磁場就會旋轉(zhuǎn)一周，同時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距。對某相通電時，轉(zhuǎn)子齒就會與該相定子齒對齊。這種通電方式稱為單三拍方式。A→B→C→A2．雙三拍工作方式在步進電動機的步進控制中，如果每次都是兩相通電，控制電流切換三次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子移動一個齒距位置，則稱為雙三拍工作方式。AB→BC→CA→AB3．對三相反應(yīng)式步進電動機進行控制時，把單三拍和雙三拍工作方式結(jié)合起來,就產(chǎn)生了六拍工作方式。在六拍工作方式中，通電的相數(shù)如下：A→AB→B→BC→C→CA→A對于一個三相反應(yīng)式步進電動機，轉(zhuǎn)子有40個齒，那么齒距角為9176。則在六拍工作方式中每一步轉(zhuǎn)子齒移動9176。/6，176。顯然六拍工作方式比單三拍或雙三拍的步進精度都高出一倍，顯然選用六拍工作方式。在六拍工作方式中，控制電流切換六次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子移動一個齒距。 圖2表31三種工作方式的區(qū)別工作方式單三拍雙三拍六拍步進周期TwTwTw每相通電時間Tw2 Tw3 Tw進齒周期3 Tw3 Tw6 Tw相電流小較大最大高頻性能差一般好轉(zhuǎn)矩差一般優(yōu)電磁阻尼差較好較好振蕩多少極少功耗少大中一、基本特性步進電動機的主要性能指標是頻率特性曲線，即起動速度力矩曲線。步進電動機的頻率特性曲線的縱坐標為轉(zhuǎn)動力矩，用T表示，單位為kgfcm；橫坐標為轉(zhuǎn)動頻率，用f表示，單位為步/s。典型的步進電動機頻率特性曲線如圖3所示。圖3 步進電動機典型頻率特性曲線 步進電動機的頻率特性曲線和很多因素有關(guān)，這些因素包括步進電動機的轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)子鐵心有效長、控制線路的電壓、齒數(shù)、齒形、齒槽比、步進電動機內(nèi)部的磁路、繞組的繞線方式、定轉(zhuǎn)子間的氣隙、轉(zhuǎn)動一個齒距所需的拍數(shù)等。二、振蕩、失步和阻尼方法振蕩是步進電動機在工作時存在的一般現(xiàn)象，但嚴重的振蕩會引起失步。這些是在控制系統(tǒng)中所不希望的。下面介紹這些問題，并給出在實際應(yīng)用中的解決辦法。振蕩的產(chǎn)生原因有多種，其中主要的原因有步進電動機處于低頻單步運行；步進電動機的換向頻率和轉(zhuǎn)子的特征頻率、倍特征頻率、分數(shù)特征頻率相等；步進電動機突然停車等情況。另外，步進電動機的工作狀態(tài)也會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。例如，當一個步進電動機在正常步進旋轉(zhuǎn)時，突然制動，則無論步進電動機原來以什么換相頻率工作，都會產(chǎn)生振蕩。步進電動機的失步有兩種原因：一 是轉(zhuǎn)子的加速度慢于步進電動機的旋轉(zhuǎn)磁場。這時是因為輸入電機的電能不足，從而引起失步。并且凡是比這時頻率高的工作頻率都必將失步。這種失步說明了步進電動機的拖動能力不夠，一旦減少負載，或者提高繞組中的激磁電流，則有可能克服失步。二是轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉(zhuǎn)速度。這時定子通電激磁的時間較長，大于轉(zhuǎn)子步進一步所需的時間，則轉(zhuǎn)子在步進過程中獲得了過多的能量，從而產(chǎn)生前沖和后沖的擺動振蕩。當振蕩足夠嚴重時就導致失步。步進電動機在運行中，振蕩是它的固有特性，但也是在任何拖動系統(tǒng)中所不希望的。所以，需要對振蕩進行抑制。抑制振蕩通常采用各種阻尼方法。包括合理選擇電動機參數(shù)，以機械方法進行阻尼，以電子方法進行阻尼。對于步進電動機的用戶而言，一般采用的方法都是電子方法。以電子方法進行步進電動機的振蕩消除，基本上都是從電源著手。 步進電機參數(shù)的選擇根據(jù)本課題設(shè)計所要求的精度及步進電機的保持轉(zhuǎn)距的大?。矗骸荩?，所以選用的三相反應(yīng)式步進電機的型號為：3S85Q04097，現(xiàn)將其具體參數(shù)介紹如下：1） 外形尺寸步進電機外形尺寸圖2）技術(shù)參數(shù)見表323S85Q04097步距角 176。相電流(A)保持扭矩(Nm)阻尼扭矩(Nm)相電阻(Ω)177。10%相電感（mH）177。20%電機慣量（㎏.㎝178。）電機長度L（㎜）97引線數(shù)量6絕緣等級B耐壓等級500V AC1分鐘最大軸向負載（N）60最大徑向負載（N）220工作環(huán)境溫度－20176。C～50176。C表面溫升最高80176。C（相線圈接通額定相電流）絕緣阻抗最小100MΩ，500V DC重量(kg)3）矩頻曲線4）電機電纜 線 色電機信號紅 色U橙 色藍 色V白 色黃 色W綠 色 步進電動機驅(qū)動器的選用雖然步進電動機是一種數(shù)控元件，易于同數(shù)字電路接口。但是，一般數(shù)字電路的信號能量遠遠不足以驅(qū)動步進電動機。常用驅(qū)動電路有：單極性、雙極性、高低壓、斬波及細分驅(qū)動電路等。因此，必須有一個與之匹配的驅(qū)動電路來驅(qū)動步進電動機。步進電動機的驅(qū)動電路選擇有如下的一般要求：（1） 能夠提供快速上升和快速下降的電流，使電流波形盡量接近矩形；（2） 具有供截止期間釋放電流的回路，以降低相繞組兩端的反電動勢，加快電流衰減；（3） 功耗低，效率高。除此之外，在一些有特殊要求的應(yīng)用場合，為了提高步進電動機定位的分辨率，減小過沖和抑制振蕩，驅(qū)動電路還應(yīng)有細分功能。通過參考文獻的閱讀及結(jié)合本次課題設(shè)計的要求，步進電動機的驅(qū)動電路選用細分電路。細分電路亦稱微步驅(qū)動，它通過控制電動機各相繞組中電流的大小和比例，使步距角減小到原來的幾分之一至幾十分之一。細分電路提高了步進電動機的分辨率，能夠平滑步進運動，減弱甚至消除振蕩。各個驅(qū)動電路的比較見下表：表33驅(qū)動電路起動頻率運行頻率運行平穩(wěn)性效率成本單極性低低較差低低雙極性低較高較差較高高高低壓高較高差較高較高斬波高高差高高細分高高好高高根據(jù)要求，選用所匹配的三相反應(yīng)式步進電機驅(qū)動器型號為：3M485 步進電動機驅(qū)動電源步進電動機運動控制系統(tǒng)是一種開環(huán)控制系統(tǒng)。它的組成包括：運動控制軟件、脈沖分配器、驅(qū)動器、步進電動機及傳動裝置等。結(jié)構(gòu)如下：步進電動機的控制繞組中需要一系列的有一定規(guī)律的電脈沖信號，從而使電機按照生產(chǎn)要求運行。這個產(chǎn)生一系列有一定規(guī)律的電脈沖信號的電源稱為驅(qū)動電源。步進電動機的驅(qū)動電源主要包括變頻信號源、脈沖分配器和脈沖放大器三個部分。1．脈沖分配器脈沖分配器又稱環(huán)形分配器，它是根據(jù)指令把脈沖信號按一定的邏輯關(guān)系加到功率放大器上，使各相繞組按一定的順序和時間導通和切斷，并根據(jù)指令使電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)確定的運行方式。早期的環(huán)形分配器采用分立元件搭建，現(xiàn)在一般采用集成電路塊構(gòu)成還可以用軟件生成環(huán)形分配器。2．功率放大電路步進電機的功率放大電路實際上是一種脈沖放大電路從環(huán)形分配器輸出脈沖信號是很弱的，必須經(jīng)過功率的放大電路將脈沖信號放大后才能驅(qū)動步進電機運行。步進電機驅(qū)動電路的核心是如何提高步進電機的快速性和平穩(wěn)性，功率放大電路可分為電壓驅(qū)動和電流驅(qū)動兩種方式。步進電機的運行特性不僅取決于電機本身具有的機械特性和電氣特性，而且取決于驅(qū)動電源的性能優(yōu)劣。 可編程控制器（PLC）選用 可編程控制器概述一、應(yīng)用與發(fā)展近年來，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器PLC以微處理器為核心，適用于開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量的控制，已進入過程控制和位置控制等領(lǐng)域，成為一種多功能、高可靠性、應(yīng)用場合最多的工業(yè)控制微型計算機。PLC的應(yīng)用范圍非常廣泛，在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中，從繼電器控制系統(tǒng)到過程控制系統(tǒng)都可以使用PLC，實現(xiàn)自動化控制，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。例如：控制電動機的起停，電磁閥的開閉，產(chǎn)品的計數(shù)，實施溫度、壓力、流量等技術(shù)參數(shù)設(shè)定。PLC作為一種通用的工業(yè)控制器，適用于一切工業(yè)領(lǐng)域。也可以說，凡是采用繼電器控制盤的場合，或兼有PID調(diào)節(jié)的場合，都可以選用PLC。比如PLC在以下工業(yè)中的應(yīng)用：電力、紡織、機械、造紙、汽車制造、鋼鐵、食品、建材等。1969年，在美國出現(xiàn)第一臺可編程控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC，以來，經(jīng)過30多年的發(fā)展，現(xiàn)在已成為一種最重要、高可靠性、應(yīng)用場合最多的工業(yè)控制微型計算機。它應(yīng)用大規(guī)模集成電路、微型機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展成果，逐步形成具有多種優(yōu)點和微型、小型、中型、大型、超大型等各種規(guī)格的PLC系列產(chǎn)品，應(yīng)用于從繼電器控制系統(tǒng)到監(jiān)控計算機之間的許多過程控制領(lǐng)域。可編程序控制器已和數(shù)控技術(shù)及工業(yè)機器人并列為工業(yè)自動化的三大支柱。是在繼電器控制和計算機控制的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成以微處理器為核心，把自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。它具有可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好、編程簡單、使用方便以及體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，因此迅速普及并成為當代工業(yè)自動化的支柱設(shè)備之一。它的發(fā)展趨勢為：編程組態(tài)軟件圖形化；輸入輸出模塊智能化和專用化；網(wǎng)絡(luò)通信功能標準化；控制技術(shù)冗余化；機電一體化（Mechatronics）；控制與管理功能一體化。目前，PLC的生產(chǎn)廠家有幾百家，從微型PLC到大型PLC，都有許多型號和系列。各個生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的PLC型號均不統(tǒng)一，基本性能也有較大的差別。PLC部分主要生產(chǎn)廠家有：1 美國艾倫布拉德利（AB）公司 5美國通用電氣（GE）公司2 德國西門子（SIEMENS）公司 6德國通用電氣（AGE）公司3 法國TE（TELEMECANIQUE）公司 7日