【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ；工作可靠；安裝調(diào)試和維修方便。 （ 1）能夠提供幅值足夠，前后沿較好的勵(lì)磁電流。 驅(qū)動(dòng)器的質(zhì)量直 接影響步進(jìn)電機(jī)的性能，驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載是電機(jī)的繞組，是強(qiáng)電感性負(fù)載 ,再接通 或斷開時(shí)，電流不能突變。由于過 渡 過程的存在，使得一個(gè)通電周期中，實(shí)際電流的平均值比理想的矩形波小，從而使電機(jī)運(yùn)行時(shí)的輸出力矩較低。另外隨著電機(jī)運(yùn)行頻率提高，每相繞組通電時(shí)間將減少，而過渡過程的時(shí)間常數(shù)不變，常使得繞組電流還沒有來得及達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，就又被切斷，更使電流平均值變小，輸出力矩下降，使得電機(jī)矩頻特性在高頻時(shí) 較 軟。 同理，電機(jī)繞組突然斷電時(shí)，電流不能立刻消失，而按指數(shù)規(guī)律下降，殘余電流較大。這樣就出現(xiàn)阻礙步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向下一步的過阻尼現(xiàn)象，也使得電機(jī)的輸出力矩和工作頻率下降，因此除了在步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的盡量減少 繞組電感外，還要求驅(qū)動(dòng)電源采取措施，使得供電的電流波形盡量接近矩形波，以提高電機(jī)運(yùn)行性能。 （ 2）本身的功耗小，效率高 為保證步進(jìn)電機(jī)有一定的輸出力矩和快速性，必須使用較高的驅(qū)動(dòng)電壓。此時(shí)為了減小過度時(shí)間常數(shù)并限制勵(lì)磁電流不超過額定值，往往要串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮?。這在電機(jī)勵(lì)磁電流不大 時(shí)允許這樣做， 大功率的電機(jī) 串電阻 時(shí)，電阻消耗的功率就太大了。這時(shí)，常采用功耗小，效率高，又能加快過渡過程的高低壓供電方式。 （ 3）能穩(wěn)定運(yùn)行 （ 4）成本較低且便于維修 14 驅(qū)動(dòng) 放大電路 驅(qū)動(dòng) 放大電路 ，如圖 36 所示。 圖 36 驅(qū)動(dòng) 放大電路 驅(qū)動(dòng) 放大電路 由 達(dá)林頓晶體管結(jié)構(gòu)組成，電流可經(jīng)過兩級(jí)放大達(dá)到所需要的電流值。 單片機(jī)輸出地驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)一般為負(fù)脈沖，在放大電路前要接一個(gè)反相器，這個(gè)反相器不僅可以把負(fù)脈沖轉(zhuǎn)換為正脈沖信號(hào)從而使放大電路工作，而且還可以起到隔離的作用。 當(dāng)單片機(jī)輸出負(fù)脈沖時(shí)，經(jīng)過反相器后變?yōu)檎}沖，兩級(jí)管子均導(dǎo)通， 達(dá)林頓晶體管輸入端的電流經(jīng)過放大電路放大后從輸出端輸出從而 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng) 。依次給各相 繞組輸入合適的負(fù)脈沖信號(hào)，電機(jī)就能夠按照預(yù)定的方式轉(zhuǎn)動(dòng)。 驅(qū) 動(dòng)芯片的選擇 本設(shè)計(jì)選用 ULN2021 芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片。 ULN2021 是一個(gè)單片高 電 壓、高電流的達(dá)林頓晶體管陣列集成電路。它是由 7 對(duì) NPN 達(dá)林頓管組成的，它的高電壓輸出特性和陰極箝位二極管可以轉(zhuǎn)換感應(yīng)負(fù)載 。單個(gè)達(dá)林頓管 的集電極電流是500mA。達(dá)林頓管并聯(lián)可以承受更大的電流。 ULN2021 的每對(duì)達(dá)林頓管都有一個(gè)，可以直接和 TTL 或 5V CMOS 裝置。 ULN2021 的主要特點(diǎn)：（ 1） 500mA 額定集電極電流（單個(gè)輸出）（ 2）高電壓輸出： 50V（ 3）輸入和各種邏輯類型兼容（ 4）繼電器驅(qū)動(dòng)器 。 15 ULN2021 的邏輯框圖，如圖 37 所示。 圖 37 ULN2021 邏輯框圖 步進(jìn)電機(jī)與 ULN2021 驅(qū)動(dòng)芯片的連接電路 步進(jìn)電機(jī) 其中 一相繞組的驅(qū)動(dòng)電路接線圖，如圖 38 所示。 圖 38 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接線 圖 圖中 L1是步進(jìn)電機(jī)的 其中 一相繞組的電感 。二極管 D1和電阻 R2 組成放電回路，以防止 驅(qū)動(dòng)芯片中 晶體管關(guān)斷瞬間繞組 產(chǎn)生的 反電動(dòng)勢(shì)可能造成管子的擊穿。 R1 為限流電阻，保證通電后電流穩(wěn)態(tài)值為額定值。電容 C1稱為加速電容，動(dòng)態(tài)時(shí)，利用它的旁路作用，使電機(jī)繞組電流上升加快，改善電流波形前沿。由 16 于電機(jī)繞組存在電感 L1,當(dāng) 驅(qū)動(dòng)芯片中 晶體管突然接通后，繞組電流按指數(shù)規(guī)律上升，其時(shí)間常數(shù)為 T1=L1∕ R1。 驅(qū)動(dòng)芯片中的晶體管 突然截止時(shí)， 電機(jī)繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)通過放電 電路進(jìn)行放電，放電 電流同樣按指數(shù)規(guī)律下降，此時(shí)時(shí)間常數(shù)為 T2=L1∕ R2。 這樣的接線電路可以保證步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)的運(yùn)行，防止了電機(jī)的堵轉(zhuǎn)和失步。 步進(jìn) 電機(jī)的脈沖分配 步進(jìn)電機(jī)的 脈沖分配主要有單片機(jī)通過軟件程序來實(shí)現(xiàn)。 步進(jìn)電機(jī)脈沖控制的任務(wù)有三點(diǎn)：控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角、控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。控制輸送給電機(jī)的脈沖數(shù)就可以控制電機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)角數(shù)；控制輸送給電機(jī)的脈沖頻率就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，實(shí)際就是控制脈沖輸送給電機(jī)繞組 的順序分配，這種分配稱為環(huán)形 分配。在數(shù)控系統(tǒng)中，脈沖分配器是將插補(bǔ)輸出脈沖，按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所要求的規(guī)律分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的各相輸入端，用以控制繞組中電流的開通和關(guān)斷。同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)有正反轉(zhuǎn)要求，所以脈沖分配器的輸出既是周期 性的，又是可逆的，因此，也可稱之為環(huán)形分配器。 采用 MCS51 系列單片機(jī)來進(jìn)行環(huán) 形 脈沖的軟件控制，現(xiàn)以控制兩只 三 相 六拍電機(jī)的環(huán)形 分配程序?yàn)槔f明其原理。 設(shè)有 X向 三 相步進(jìn)電機(jī)，以 三 相 六 拍方式運(yùn)行。按照 三 相 六 拍方式運(yùn)行時(shí)的通電順序?yàn)椋赫D(zhuǎn)： A→ AB→ B→ BC→ C→ CA→?；反轉(zhuǎn)： A→ AC→ C→ CB→ B→ BA→?；設(shè)以 AT89C51 的 P1 口作為兩只電機(jī)的 脈沖 輸出口，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 所示。 表 兩只 三 相電機(jī) 脈沖 輸出口分配 Y 電機(jī) X電機(jī) C B A C B A 由于控制口的輸出信號(hào)一般須經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行反向放大，故當(dāng)某 P1 口輸出為“ 0”時(shí)即接通 電機(jī)的 某相繞組，當(dāng)某 P1 口輸出為“ 1”時(shí)即表示未 接通 電機(jī)的某相 繞組。表 為 X、 Y 電機(jī)的 正向通電順序。 17 表 X、 Y電機(jī)正向通電順序 通電 順序 號(hào) Y電機(jī) 輸出口 X 電機(jī) 輸出口 十六制 狀態(tài) 通電 相數(shù) C B A C B A 1 1 1 0 1 1 0 EE A 2 1 0 0 1 0 0 CC AB 3 1 0 1 1 0 1 DD B 4 0 0 1 0 0 1 99 BC 5 0 1 1 0 1 1 BB C 6 0 1 0 0 1 0 AA CA 當(dāng)單片機(jī)根據(jù)撥碼開關(guān)設(shè)置判斷出正向轉(zhuǎn)動(dòng)后，調(diào)用正向轉(zhuǎn)動(dòng)輸出子程序，在子程序中不斷調(diào)用延時(shí)程序經(jīng)過一定的延時(shí)，把表中的狀態(tài)依次從 P1 口輸出，每調(diào)用一次延時(shí)子程序，就向 P1 口輸出一次步進(jìn)電機(jī)就運(yùn)行一步，循環(huán)執(zhí)行正向輸出子程序就能使電機(jī)正常按照預(yù)定進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)單片機(jī)根據(jù)撥碼開關(guān)設(shè)置判斷出反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，調(diào)用反向輸出子程序，然后按照子程序中輸出順序依次輸出并不斷循環(huán)。 步進(jìn)電機(jī)的選型 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 在此以三相步進(jìn)電機(jī)為例進(jìn)行說明。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子組成。定子上有 A、 B、 C三對(duì)繞組磁極，分別稱為 A相、 B相、 C 相。轉(zhuǎn)子是硅鋼片等軟磁材料迭合成的帶齒廓形狀的鐵心。如果在定子的三對(duì)繞組中通直流電流，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng) A、 B、 C三對(duì)磁極的繞組依次輪流通電，則 A、 B、 C 三對(duì)磁極 依次產(chǎn) 生磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。 （ 1）當(dāng) A 相通電， B相和 C 相不通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)鐵心的 AA方向產(chǎn)生磁通， 18 在磁拉力的作用下，轉(zhuǎn)子 3 齒與 A 相磁極對(duì)齊。 4 兩齒與 B、 C 兩磁極相對(duì)錯(cuò)開 30176。 （ 2）當(dāng) B 相通電、 C 相和 A 相斷電時(shí)，電動(dòng)機(jī)鐵心的 BB 方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力的作用下，轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn) 30176。， 4 齒與 B 相磁極對(duì)齊。 3兩齒與 C、 A兩磁極相對(duì)錯(cuò)開 30176。 （ 3）當(dāng) C 相通電， A 相和 B 相斷電時(shí)，電動(dòng)機(jī)鐵心的 CC 方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力的作用下，轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針方向又旋轉(zhuǎn) 30176。， 3 齒與 C相磁 極對(duì)齊。 4兩齒與 A、 B 兩磁極相對(duì)錯(cuò)開 30176。 若按 A→ B→ C?通電相序連續(xù)通電，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就連續(xù)地沿逆時(shí)針方向旋動(dòng)，每換接一次通電相序，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過 30176。，即步距角為 30176。如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子磁極通電相序按 A→ C→ B?進(jìn)行，則轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。上述通電方式稱為三相單三拍通電方式。所謂“單”是指每次只有一相繞組通電的意思。從一相通電換接到另一相通電稱為一拍，每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，故所謂“三拍”是指通電換接三次后完成一個(gè)通電周期。 另一種通電方式稱為三相六拍通電方式，即按照 A→ AB→ B→ BC→ C→ CA?相序通電。如果 A相通電， 3齒與 A 相磁極對(duì)齊。當(dāng) A、 B兩相同時(shí)通電，因 A極吸引 3齒， B 極吸引 4齒，轉(zhuǎn)子逆時(shí)旋轉(zhuǎn) 15176。隨后 A相斷電，只有 B相通電，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)旋轉(zhuǎn) 15176。， 4 齒與 B 相磁極對(duì)齊。如果繼續(xù)按 BC→ C→CA→ A?的相序通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就沿逆時(shí)針方向，以 15176。的步距角一步一步移動(dòng)。這種通電方式采用單、雙相輪流通電，在通電換接時(shí)，總有一相通電，所以工作比較平穩(wěn)。 進(jìn)電動(dòng)機(jī)還可用雙三拍通電方式，導(dǎo)通的順序依次為 AB→ BC→ CA→ AB，每拍都由兩相導(dǎo)通。它與單、雙拍通電方式時(shí) 兩個(gè)繞組通電的情況相同，由于總有一相持續(xù)導(dǎo)通，也具有阻尼作用，工作比較平穩(wěn)。表 所示是三相單三拍、三相雙三拍、三相單雙六拍通電方式切換表，由于硬件驅(qū)動(dòng)電路存在電路的競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)，比如三相單三拍從序號(hào) 1切換到 2，易出現(xiàn)“斷、斷、斷”現(xiàn)象；三相雙三拍從序號(hào) 1 切換到 2，易出現(xiàn)“通、通、通”現(xiàn)象，由此產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的振蕩。故實(shí)際使用當(dāng)中多采用三相單雙六拍通電方式。 步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、電流三大因素組成。一旦三大 19 要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。 步進(jìn)電機(jī)的選擇 步距角 選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度，電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有 度（五相電機(jī)）、 度∕ 度（二、四相電機(jī)）、 度（三相電機(jī)）等。 靜力矩選擇 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇 的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接啟動(dòng)時(shí)（一般由低速）二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣 性負(fù)載，恒速運(yùn)行時(shí)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)該為摩擦負(fù)載的 23倍內(nèi)為好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便確定下來（幾何尺寸）。 電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓）。 力矩與功率換算 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： P= Ω? M Ω =2π? n∕ 60 P=2π nM∕ 60 其 P 為功率單位瓦，Ω為角速度單位為弧度 ， n 位每分鐘轉(zhuǎn)速， M 為力矩單位為牛頓?米 P=2π fM∕ 400（半步工作）其中 f為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱 pps） 此系統(tǒng)中一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)用于帶動(dòng)傳送帶進(jìn)行袋料自動(dòng)進(jìn)給，另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)用于帶動(dòng)刀片進(jìn)行袋料切割。在此次需要根據(jù)這兩項(xiàng)目的進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的選型。 （ 1）控制袋料進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)的選型 本設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)主要用于控制小型食品包裝袋的袋料進(jìn)給。所以只要選用較小功率的步進(jìn)電機(jī)即可， 在此選用 M49SP2K 型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。 20 M49SP2K 型步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)分別為： ⑴ 額定電壓 DC—— 24V ⑵ 使用電壓 范圍 DC ~ ⑶ 額定電流∕相 （ PEAK） ⑷ 相數(shù) 3 Phase ⑸ 繞線電阻 ⑹ 步距角 176。∕ step ⑺ 勵(lì)磁方式 33相勵(lì)磁 ⑻ 絕緣等級(jí) E類絕緣 ⑼ 保持轉(zhuǎn)矩 134mN?m ⑽ 失步轉(zhuǎn)矩 100mN?m ⑾ 同步轉(zhuǎn)矩 102mN?m ⑿ 最大響應(yīng)頻率 2150pps ⒀ 最大自然啟動(dòng)頻率 430pps 選用這一型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)完全可以達(dá)到本設(shè)計(jì)的要求并能很好的帶動(dòng)傳送帶完成 袋料的自動(dòng)進(jìn)給。 （ 2）帶動(dòng)切割刀片步進(jìn)電機(jī)的選型 本設(shè)計(jì)主要是對(duì)小型食品包裝袋的切割，所以步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng) 的一般為小型刀片，不需要大功率的步進(jìn)電機(jī)來帶動(dòng)刀片運(yùn)動(dòng)所以只需要選用小功率的步進(jìn)電機(jī)即可， 這樣既可以提高產(chǎn)品的利用率也可以節(jié)省能源。在此也選用與上邊同型號(hào)的步進(jìn)電機(jī) M49SP2K，這樣可以提高產(chǎn)品的利用率也完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。 在設(shè)計(jì)中就要選用兩臺(tái) M49SP2K 型號(hào) 的步進(jìn)電機(jī)來完成設(shè)計(jì)任務(wù)。