基于plc控制的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文(編輯修改稿)
2025-07-24 21:04 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 (4)力矩步進電機通電后，就會在定子和轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(磁通量Ф)，當轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度，力F與(dФ/dθ)成正比，其磁通量（Br為磁密，S為導磁面積），F(xiàn)與成正比，L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑。在線性狀態(tài)下，得出力矩公式 V:半徑力矩與電機有效 N:安匝數(shù)因此，力矩與電機有效體積、勵磁安匝數(shù)成正比，而與定轉(zhuǎn)子間氣隙成反比，反之亦然[8]。 步進電機的驅(qū)動系統(tǒng) 步進電機在單單僅給予電壓時，電機是不會動作的，必須透過脈波產(chǎn)生器提供位置（脈波數(shù)）、速度的脈波信號指令，以及驅(qū)動器驅(qū)動電流流過電機內(nèi)部線圈、依順序切換激磁相序的方式才能夠讓電機運轉(zhuǎn),開環(huán)伺服系統(tǒng)圖23，而欲使步進電機動作的必要系統(tǒng)組成有： (1)脈沖產(chǎn)生器：給予角度（位置移動量）、動作速度及運轉(zhuǎn)方向之脈沖信號的電機驅(qū)動指令?！ ?2)步進驅(qū)動器：依控制器所投入的脈沖信號指令，提供電流來驅(qū)動步進電機動作。 (3)步進電機：提供轉(zhuǎn)矩動力輸出來帶動負載。所以步進電機系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要速度感應(yīng)器（ENCODER、轉(zhuǎn)速發(fā)電機）、位置傳感器（SENSOR），即能依照脈沖產(chǎn)生器所輸入的脈沖來做到速度及位置的控制[9]。工作臺步進電動機驅(qū)動指令驅(qū)動電路圖23 開環(huán)伺服系統(tǒng)脈沖源采用555定時器產(chǎn)生，它工作頻率易于改變從而可以控制步進電機的速度并且工作可靠，簡單易行，占空比可調(diào)的方波發(fā)生器如圖24, 。在實現(xiàn)控制要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)使程序盡量簡潔﹑緊湊。同一控制對象，根據(jù)生產(chǎn)的工藝流程不同，控制要求或控制時序會發(fā)生變化，即要求程序有較好的柔性。圖24占空比可調(diào)的方波發(fā)生器3 驅(qū)動電路電源設(shè)計方案 方案設(shè)計(1)方案一 步進電機選反應(yīng)式步進電機，驅(qū)動電路選用高低壓切換電源。高低壓切換型電源的原理線路如圖31所示。圖中當分配器輸出端出現(xiàn)控制信號U,要求繞組通電時，三極管的基極都有信號輸入使導通，于是在高壓電源的作用下，繞組電流迅速上升，電流迅速上升，電流前沿很陡。當電流達到或稍微超過額定穩(wěn)態(tài)電流時,利用定時電路或者電流檢測反饋等措施使基極上信號電壓消失，因此繞組電流立即轉(zhuǎn)而由低壓電源經(jīng)過二極管 供給。低壓電源的電壓值應(yīng)使繞組中的電流限制在額定穩(wěn)態(tài)電流值。當分配輸出端信號電壓U消失，要求繞組斷電時，基極上的信號電壓也消失了。繞組中的電流經(jīng)二極管及電阻向高壓電源放電，電流迅速下降。(2)方案二 驅(qū)動電路選擇單一電壓型電源。圖32是單一電壓型電源的一相功放電路（m相電機有m個這樣的功放的電路）的原理圖。來自分配器的信號經(jīng)過幾級電流放大后加到三極管V1的基極，控制的導通和截止。V1是功放電路的末級功放管，它與步進電機一相繞組串聯(lián)，所以通過功放管V1的電流與通過步進電機的電流是相等的。由步進電機的工作原理可知道這樣的電流波形會使步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩減小，動態(tài)特性變壞。若要提高轉(zhuǎn)矩，應(yīng)縮短電流上升的時間常數(shù)Ta，使電流前沿變陡，這樣，電流波形接近矩形。由于Ta=R/L，要減少Ta就要在設(shè)計電機時盡量要減小繞組電感L。另外，如果加大圖31中串聯(lián)的電阻R1也就可以使時間常數(shù)Ta下降，但是加大R1以后，為了達到同樣的穩(wěn)態(tài)電流值，電源電壓就要作相應(yīng)的提高；圖33中曲線I’和I’’分別表示串聯(lián)電阻R1’和R1’’（ R1’’ R1’）時的繞組電流波形圖。可以看出，當R1增大后，電流幅值增大，波形更加接近于矩形。這樣可以增大轉(zhuǎn)矩，提高啟動和連續(xù)運行頻率，并使啟動和運行矩頻特性下降緩慢，如圖34所示曲線T’和T’’分別表示串聯(lián)電阻為R1’和R1’’時候的特性。(3)方案比較和選擇單一電壓型電源只有一種電壓，功放元件少，成本低。但是它的最主要缺點是電流流過串聯(lián)電阻R1后要消耗非?？捎^的電能，這部分消耗的電功率變成了熱量白白的浪費掉了。而且功耗隨著R1值及其電機功率的增大而增大。這樣，一方面是電源設(shè)備的效率大為下降，同時所散發(fā)的熱量又使控制柜內(nèi)溫度升高，為了不影響電子元件的性能，還需要增添許多散熱設(shè)備，因而增大了電源體積，提高了成本。而使用高低壓切換型電源則不存在這樣的問題，因為電機繞組上不需要串聯(lián)電阻或者只需要串聯(lián)一個很小的電阻R1（為平衡各相電流，其值一般約為0. 1 ~），所以電源功耗也比較小。而且高低壓切換電源加在繞組中的電壓和電流波形圖也會得到很大改善如圖35，所以導致電機的轉(zhuǎn)矩特性很好，啟動和運行頻率都得到很大的提高。在實現(xiàn)控制要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)使程序盡量簡潔﹑緊湊，要求程序修改方便、簡單。通過對方案一和方案二的比較，本次設(shè)計選擇方案一。(4)步進電機驅(qū)動電源的選擇步進電機是由專門的驅(qū)動電源供電的，驅(qū)動電源和步進電機是一個有機整體，步進電機的運行性能是電動機及其驅(qū)動電源二者配合的綜合表現(xiàn)。(5)調(diào)速范圍的確定由于技術(shù)參數(shù)已經(jīng)給定，所以在選用步進電機的時候要注意在調(diào)速時在調(diào)速范圍內(nèi)的脈沖頻率不能小于步進電機的自由振動頻率的1/k，否則轉(zhuǎn)子會發(fā)生強烈振蕩甚至失步。解決辦法是為削弱振蕩現(xiàn)象，一般都會裝有機械阻尼器。圖31 高低電壓驅(qū)動電路原理圖 圖32單電壓驅(qū)動電路原理圖 I’’ I T T’’I’ T’ r f 圖33 不同串聯(lián)電阻值對電流的影響 圖34不同串聯(lián)電阻對矩頻特性的影響 U1 t圖35 繞組換接時電流和電壓的變化 步進電機的速度控制 步進電機的運轉(zhuǎn)速度會與輸入的脈沖速度成等比例的關(guān)系，所以在脈沖的速度愈快時，步進電機的轉(zhuǎn)速也會跟著加快；脈波速度愈慢時，電機的轉(zhuǎn)速自然也跟著變慢。電機的運轉(zhuǎn)速度（RPM）與脈沖速度（PPS，又稱Hz）間的關(guān)系式如下： 電機的運轉(zhuǎn)速度（RPM）＝ 脈沖速度（PPS或 Hz） 60247。步進電機分割數(shù)/圈說明： (1)RPM為一般電機的速度單位，即 rev / min，為每分鐘電機所轉(zhuǎn)的圈數(shù)；PPS為步進、伺服電機的速度單位，即pulse per second，為每秒所送出的脈沖數(shù)?！ ?2)由于RPM與PPS的單位不同，所以于轉(zhuǎn)換的過程中要先將PPS的秒鐘乘以60變?yōu)榉昼?。 (3)步進電機分割數(shù)/圈，又代表要讓電機轉(zhuǎn)一圈所必須送出的脈沖數(shù)。 (4)上述公式拆解后之單位表示為 → rev/min = pulse/sec 60 1/分割數(shù)FP1有一條SPD0指令，指令配合HSC和Y7的脈沖輸出功能便可實現(xiàn)對速度及位置控制[10]。速度控制梯形圖見圖36，控制方式參數(shù)見表31，脈沖輸出頻
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