【正文】 make free from being loaded with the effect changing but be that being added a pulse signal the electric motor by electric motor is to have rotated a step spur angle This gleam of the sexual relationships existence adds stepbystep electric motor characteristics such as only having the cyclicity error but there being no accumulative errorFeasible simplicity controlling a field using stepbystep electric motor to e to control changeable extraordinary in speed location etcStepbystep electric motor speed regulation general be change import stepbystep electric motor pulse frequency e true stepbystep electric motor speed regulation because of stepbystep electric motor every be given to a pulse right away rotate one fixed angle such right away not bad pass under the control of stepbystep electric motor a pulse arrive at next pulse period e to change pulse frequencyCome to control the speed regulation realizing stepbystep electric motor thereby to e to change the electric motor rotation rate stepbystep angle concretely the deferred length Frequency adopt the internal timer of AT89C51 type monolithic machine to change CP pulse in the design plan in realizes the speed regulation controlling realizing an electric motor and the function that the positive and negative rotates being in progress to stepbystep electric motor rotation rate thereby Key wordsStepbystep electric motor monolithic machine speed regulation system 前 言 步進電機最早是在 1920年由英國人所開發(fā) 1950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用在步進電機上這對于數(shù)字化的控制變得更為容易以后經(jīng)過不斷改良使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度高 分解性能高響應性信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中在生產(chǎn)過程中要求自動化省人力效率高的機器中我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機的蹤跡尤其以重視速度位置控制需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電機用得最多步進電機作為執(zhí)行元件是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中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國民經(jīng)濟領域都有應用 步進電機是將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件步進電機可以直接用數(shù)字信號驅動使用非常方便一般電動機都是連續(xù)轉動的而步進電動機則有定位和運轉兩種基本狀態(tài) 當有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉動每給它一個脈沖信號它就轉過一定的角度步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比在時間上與輸入脈沖同步因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量頻率及電動機繞組通電的相序便可獲得所需的轉角轉速及轉動方向在沒有脈沖輸入時在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉子保持原有位置處于定位狀態(tài)因此非常適合于單片機控制步進電機還具有快速啟動精確步進和定位等特點因而在數(shù)控機床繪圖儀打印機以及光學儀器中得到廣泛的應用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步進電機可以作為一種控制用的特種電機利用其沒有積累誤差 精度為 100 的特點廣泛應用于各種開環(huán)控制 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機 VR永磁式步進電機 PM混合式步進電機 HB 和單相式步進電機等永磁式步進電機一般為兩相轉矩和體積較小步進角一般為 75 度 或 15 度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 15 度但噪聲和振動都很大反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成定子上有多相勵磁繞組利用磁導的變化產(chǎn)生轉矩混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點它又 分為兩相和五相兩相步進角一般為 18 度而五相步進角一般為 072 度這種步進電機的應用最為廣泛也是本次細分驅動方案所選用的步進電機 第 1 章 步進電機概述 11 步進電機的特點 1 一般步進電機的精度為步進角的 35 且不累積 2 步進電機外表允許的溫度高步進電機溫度過高首先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 3 步進電機的力矩會 隨轉速的升高而下降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在它的作用下電機隨頻率或速度的增大而相電流減小從而導致力矩下降 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步進電機有一個技術參數(shù)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)生丟步或堵轉在有負載的情況下啟動頻率應更低如果要使電機達到高速轉動脈沖頻率應該有加速過程即啟動頻率較低然后按一定加速度升到所希望的高頻電機轉速從低速升到高速 12 步進 電機的工作原理 步進電機是一種用電脈沖進行控制 將電脈沖信號轉換成相位移的電機 其機械位移和轉速分別與輸入電機繞組的脈沖個數(shù)和脈沖頻率成正比 每一個脈沖信號可使步進電機旋轉一個固定的角度脈沖的數(shù)量決定了旋轉的總角度 脈沖的頻率決定了電機運轉的速度當步進驅動器接收到一個脈沖信號它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度 稱為步距角 它的旋轉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同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度從而達到調速的目的 13 步進電機的技術參數(shù) 機的基本參數(shù) 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速從低速升到高速 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動的角度電機出廠時給出 了一個步距角的值如 86BYG250A 型電機給出的值為 09176。表示半步工作 時為 09176。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 步進電機的相數(shù) 是指電機內部的線圈組數(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一般二相電機的步距角為 09176。三相的 為 075176。五相的為 036176。在沒有細分驅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 保持轉矩 HOLDING TORQUE 是指步進電機通電但沒有轉動時定子鎖住轉子的力矩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由于步進電機的輸出力 矩隨速度的增大而不斷衰減輸出功率也隨速度的增大而變化所以保持轉矩就成 為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一比如當人們說 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 機動態(tài)指標及術語 步距角精度 步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤 差用百分表示誤差步距 角 100不同運行拍數(shù)其值不同 四拍運行時應在 5之內八拍運行時應在15 以內 失步 電機運轉時運轉的步數(shù)不等于理論上的步數(shù)稱之為失步 失調角 轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度電機運轉必存在失調角由失調角產(chǎn)生的 誤差采用細分驅動是不能解決的 最大空載起動頻率 電機在某種驅動形式電壓及額定電流下在不加負載的情況下能夠直接起 動的最大頻率 最大空載的運行頻率 電機在某種驅動形式電壓及額定 電流下電機不帶負載的最高轉速頻率 運行矩頻特性 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩特 性這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的也是電機選擇的根本依據(jù) 如下 圖 11 所示 圖 11 力矩頻率曲線 電機的共振點 步進電機均有固定的共振區(qū)域二四相感應子式步進電機的共振區(qū)一般在180250pps 之間步距角 18 度或在 400pps 左右步距角為 09 度電機驅動電壓越高電機電流越大負載越輕電機體積越小則共振區(qū)向上偏移反之亦然為使電機輸出電矩大不失步和整 個系統(tǒng)的噪音降低一般工作點均應偏移共振區(qū)較多 其它特性還有慣頻特性起動頻率特性等電機一旦選定電機的靜力矩確定而動態(tài)力矩卻不然電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流而非靜態(tài)流平均電流越大電機輸出力矩越大即電機的頻率特性越硬如下圖 12 所示 圖 12 力矩頻率特性曲線 其中曲線 3電流最大或電壓最高曲線 1電流最小或電壓最低曲線與負載的交點為負載的最大速度點要使平均電流大盡可能提高驅動電壓使采用小電感大電流的電機 14 步進電機的分類 步進電機分為三大類 1 反應式步進電機 VAriABle ReluCtAnCe 簡稱 VR 反應式步進電機的轉子是由軟磁材料制成的轉子中沒有繞組它的結構簡單成本距角可以做得很小但動態(tài)性能較差反應式步進電機有單段式和多段式兩種類型 2 永磁式步進電機 PermAnent MAg 簡稱 PM 永磁式步進電機的轉子是用永磁材料制成的轉子本身就是一個磁源轉子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同所以一般步進角比較大它輸出轉矩大動態(tài)性能好消耗功率小相比反應式但啟動運行頻率較低還需要正負脈沖供電 3 混合式步進電機 HyBrid 簡稱 HB 混合式步進電機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)點混合式與傳 統(tǒng)的反應式相比結構上轉子加有永磁體以提供軟磁材料的工作點而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能因此該電機效率高電流小發(fā)熱低 因永磁體的存在該電機具有較強的反電勢其自身阻尼作用比較好使其在運轉過程中比較平穩(wěn)噪聲低低頻振動小這種電動機最初是作為一種低速驅動用的交流同步機設計的后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流這種電動機也能做步進增量運動由于能夠開環(huán)運行以及控制系統(tǒng)比較簡單因此這種電機在工業(yè)領域中得到廣泛應用 機的內外結構 步進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 013 て 23 て相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以て表示即 A 與齒 1 相對齊 B 與齒 2 向右錯開 13 て C 與齒 3 向右錯開 23て A 與齒 5 相對齊 A 就是 A 齒 5 就是齒 1 下面是定轉子的展開如圖 13 所示 圖 13 定子展開圖 電動機定子鐵心和一般電機一樣由硅鋼片疊成鐵心內孔表面有開口槽轉子裝有一個軸向磁化永磁體用以產(chǎn)生一個單向磁場永磁體產(chǎn)生的磁通在每一個氣隙圓周上都是單方向通過氣隙的這時作用在氣隙中的磁勢是同極性的稱為單極磁勢而轉子包括兩段一段經(jīng)永磁體磁化成 N 極另一段磁化為 S 極每段轉子齒以一個齒距 間隔均勻分布但兩段轉子的齒相互錯開 12 個轉子齒距 A N 極段截面圖 B S 極段截面圖如圖 14 所示 A N 極段截面圖 B S 極段截面圖