【正文】 .......................................................................... 32 致 謝 ............................................................................................................................... 33 附 錄 ............................................................................................................................... 34 湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 1 第 1 章 緒 論 設 計背 景 步進電動機已成為除直流電動機和交流電動機以外的第三類電動機 ， 傳統(tǒng)電動機作為機電能量轉換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進入電氣化過程中起著關鍵的作用。為適應這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動機系統(tǒng)，其中較有自己特點，且應用十分廣泛的一類便是步進電動機。 自從步進電動 機在計算機外圍設備中取代小型直流電動機以后，使其設備的性能提高，很快地促進了步進電動機的發(fā)展。任何一種產(chǎn)品成熟的過程，基本上都是規(guī)格品種逐步統(tǒng)一和簡化的過程。爪極電機價格便宜，性能指標不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動機，由于混合式步進電動機具有控制功率 小，運行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導地位。／ 176。到目前，工業(yè)發(fā)達國家的磁阻式步進電動機已極少見 [1]?，F(xiàn)在日本步進電動機年產(chǎn)量（含國外獨資公司）近 2 億臺，德國也是世界上步進電動機生產(chǎn)大國。與此同時，日本伺服公司也推出了他們的三相混合式步進電動機。將三相步進電動機同二相步進電動機進行比較后得出 ： 1） 在獲得小步距角方面，三相電動機比二相電動機要好。 3） 三相電動機的轉矩波動比二相電動機要小。 5） 三相電動機繞組可以星形連接，三個終端驅動 ，勵磁電路晶體管 6 個； 而二相電動機是 8 個。 另外的結論是 HB 型電動機更適合于低速大轉矩用途； RM 型適用于平穩(wěn)運行以及轉速大于 1000r/min 的用途；而 PM 型成本低，在低轉速時的振動和高轉速時的大轉矩方面，三相 PM 型電動機比兩相電動機的性能要好。瑞士 ESCAP 公司最近還研制出外徑僅 10mm 的步進電動機。由于電動機采用方型結構，使得轉子有可能設計得比圓形大，因而其力矩體積比將大為提高。即把轉子位置傳感器，減速齒輪等和電動機本體綜合設計在一起，這樣使其能方便地 組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，因而具有更加優(yōu)越的控制性能。目前廣泛應用的二相和四相電動機，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機具有優(yōu)勢性。 我國的情況有所不同，直到 20 世紀 80 年代，一直是磁阻式步進電動機占統(tǒng)治地位，混合式步進電動機是 80 年代后期才開始發(fā)展，至今仍然是二種結構類型同時并存。 /176。 /176。這種現(xiàn)狀對步進電動機的發(fā)展是不利的。步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。 隨著微電子和計算機技術的發(fā)展 ， 步進電機的需求量與日俱增 ， 在各個行業(yè)的控制領域都將有廣泛應用。 本設計是采用是 FX2N32MT 控制三相六拍的反應步式步進電機，通過軟件設計 脈沖頻率 來控制步進電機的 運行速度，通過加減 頻率來控制步進動機的轉速 。提出了本次設計的設計任務，用 PLC 控制步進電機以不同的方式運行。在經(jīng)歷了 一個大的發(fā)展階段后 ， 目前其發(fā)展趨于平緩。因此 ，沿著小型、高效、低價的方向發(fā)展。步進電動機的運行是在專用的脈沖電源供電下進行的 ， 其轉子走過的步數(shù) ， 或者說轉子的角位移量 ， 與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比。這些特點使得步進電動機與其它電動機有很大的差別。因此 ， 在數(shù)字控制系統(tǒng)出現(xiàn)之初 ， 步進電動機經(jīng)歷過一個大的發(fā)展階段 [3]。 2） 反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為 度，但噪聲和振動都很大。兩相步進角一般分為 度而五相步進角一般為 度， 這種步進電機的應用最為廣泛。 定子、轉子是用硅鋼片或其他軟磁材料制成的。 湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 5 圖 21 三相反應式步進電機的結構圖 在定子磁極和轉子上都開有齒分度相同的小齒，采用適當?shù)凝X數(shù)配合，當 A相磁極的小齒與轉子小齒一一對應時， B 相磁極的小齒與轉子小齒相互錯開 1/3 齒距， C 相則錯開 2/3 齒距。而方向由繞組通電的順序決定。電機出廠時給出了一個步距角的值，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，真正的步距角和驅動器有關。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為 176。 、三相的為 176。 、五相的為 176。 。如果使用細分驅湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 6 動器，則“相數(shù)”將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。比如，當人們說 2Nm 的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為 2Nm 的步進電機。由于反應式步進電機的轉子不是永磁材料，所以它沒有 鉗制轉矩 。 2） 步進電機外表允許的最高溫度取決于不同電機磁性材料的退磁點，步進電機溫度過高時會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達攝氏 200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。 4） 步進電機低速時可以正常運轉，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。在有負載 的情況下，啟動頻率應更低。 反應式步進電機原理 結構 電機轉子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。與齒 5 相對齊，（ A39。 如 B 相通電， A， C 相不通電時，齒 2 應與 B 對齊， 此時轉子向右移 過 1/3? ，此時齒 3 與 C 偏移為 1/3? ，齒 4 與 A 偏移 （ ? 1/3? ） =2/3? 。如 A 相通電， B， C 相 不通電， 齒 4 與 A 對 齊，轉子又向右移過 1/3? 這樣經(jīng)過 A、 B、 C、 A 分別通電狀態(tài)，齒 4（即齒 1 前 一齒）移到 A 相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按 A， B， C， A??通電，電機就每步（每脈沖） 1/3? ， 向右旋轉。 由此可見， 電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關系。不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。這樣將原來每步 1/3? 改變?yōu)?1/6? 。 不難推出：電機定子上有 m 相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移 1/m，2/m?? (m1)/m， 1。只要符合這 一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。另外步進電機也廣泛應用于各種工業(yè)自動化系統(tǒng)中。還可以通過控制頻率很方便的改變步進電機的轉速和加速度，達到任意調(diào)速的目的，因此步進電機可以廣泛的應用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)中 [6]。它采用可編程序的存儲器 ，其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、計數(shù)和算術運算等操作指令 ， 并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出 ， 控各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC 自產(chǎn)生至今只有 30 多年的歷史 ， 卻得到了迅速發(fā)展和廣泛應用 ， 成為當代 工業(yè)自動化的主要支柱之一。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無法滿足這一要求 ， 迫使人們?nèi)ふ乙环N新的控制裝置取而代之。它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、 I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。這樣，即使某個 CPU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器 [7]。繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。對電動機進行綜合設計。向五相和三相電動機方向發(fā)展，目前廣泛應用的二相和四相電動機，其振動和噪聲較大，而五相和三相電動機具有優(yōu)勢性。 目前利用可編程序控制器（即 PLC 技術）可以方便地實現(xiàn)對電機速度和位置的控制，方便地進行各種步進電機的操作，完成各種復雜的工作，它代表了先進的工業(yè)自動化革命，加速了機電一體化的實現(xiàn)。 步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件 ， 每當對其施加一個電脈沖時 ， 其輸出軸便轉過一個固定的角度。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電的相序 ， 便可控制步進電機的輸出位移量、速度和轉向 [10]。并且 ， PLC 有采用大功率晶體管的輸出端口 ， 能夠滿足步進電機各相繞組數(shù) 10V 級脈沖電壓、1A 級脈沖電流的驅動要求 [11]。 三菱 PLC 本身帶有高速脈沖計數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器，其發(fā)出的頻率最大為 10KHz，能夠滿足步進電動機的要求。一是在此應用的 PLC 最好是具有實時刷新技術的 PLC， 使輸出信號的頻率可以達到數(shù)千赫芝或更高。二是 PLC 本身的輸出端口應該采用大功率晶體管 ， 以滿足步進電機各 相繞組數(shù)十伏脈沖電壓、數(shù)安培脈沖電流的驅動要求 [12]。 湖南電氣職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計 11 第 3 章 PLC 控制步進電機工作方式的選擇 常見的步進電機的工作方式 常見的步進電機的工作方式有以下三種 ： ： A B C A 圖 31 三相單三拍工作方式時序圖 ： AB BC CA AB 圖 32 三相雙三拍工作方式時序圖 ： A AB B BC C CA