【正文】 沒有累積誤差，具有良好的跟隨性。2）由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)又非常可靠。同時(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。5）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。6）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩。7）步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源以及直流電源[2]。8）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的35%，且不累積。9）步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)溫度過高時(shí)會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏8090度完全正常。10）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。11）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻[4] 步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù) 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，這個(gè)步距角可以稱之為“電機(jī)固有步距角”，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，176。/176。、176。/176。、176。/176。 。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則“相數(shù)”將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。 保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)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(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2Nm的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2Nm的步進(jìn)電機(jī)。 鉗制轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有鉗制轉(zhuǎn)矩。 步進(jìn)電機(jī)的工作原理及分類步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或稱脈沖電動(dòng)機(jī)，是一種將電脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)際上是一個(gè)數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器，也是一個(gè)串行的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“一步”，這個(gè)固定的角度稱為步距角。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是步進(jìn)形式的，故稱為“步進(jìn)電動(dòng)機(jī)”。從步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組所加的電源形式來看，與一般交流和直流電動(dòng)機(jī)不同，既不是正弦波，也不是恒定直流，而是脈沖電壓、電流，所以有時(shí)也稱為脈沖電動(dòng)機(jī)或電脈沖馬達(dá)。 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理實(shí)際上是電磁鐵的作用原理。 步進(jìn)電機(jī)的分類按其工作方式分為功率式和伺服式：功率式輸出轉(zhuǎn)矩較大，能直接帶動(dòng)較大的負(fù)載；伺服式輸出轉(zhuǎn)矩較小，只能帶動(dòng)較小的負(fù)載，對(duì)于大負(fù)載需通過液壓放大元件來傳動(dòng)。按結(jié)構(gòu)分為單段式（徑向式）、多段式（軸向式）、印刷繞組式。按使用頻率分為高頻步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和低頻步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。按運(yùn)動(dòng)方式：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)、平面運(yùn)動(dòng)和滾切運(yùn)動(dòng)按工作原理：反應(yīng)式（磁阻式）、永磁式、永磁感應(yīng)子式（混合式）。1）永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小。2）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，但噪聲和振動(dòng)都很大。3）混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，它又分為兩相和五相。 。 步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一， 廣泛應(yīng)用在各種家電產(chǎn)品中，例如打印機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、玩具、雨刷、機(jī)械手臂和錄像機(jī)等。另外步進(jìn)電機(jī)也廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中。由于通過控制脈沖個(gè)數(shù)可以很方便的控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角位移，且步進(jìn)電機(jī)的誤差不積累，可以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。還可以通過控制頻率很方便的改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度，達(dá)到任意調(diào)速的目的，因此步進(jìn)電機(jī)可以廣泛的應(yīng)用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)中。第四章S7200 PLC控制步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)方法很多，按照使用的控制裝置來分可以分為:普通集成電路控制、單片機(jī)控制、工業(yè)控制機(jī)控制、可編程控制器控制等幾種。本設(shè)計(jì)選用西門子S7200 PLC通過控制驅(qū)動(dòng)器來控制步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)使用的步進(jìn)電機(jī)選用的是型號(hào)為DM4250E的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，176。，相電阻30Ω，相電感37mH，cm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量36gcm2，軸徑5mm，引線4條，機(jī)身長(zhǎng)56mm [4]。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖41所示：圖41 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，A、B兩相繞組沿徑向分相，沿著定子圓周有8個(gè)凸出的磁極，7磁極屬于A相繞組，8磁極屬于B相繞組，定子每個(gè)極面上有5個(gè)齒，極身上有控制繞組。轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼和兩段鐵芯組成，環(huán)形磁鋼在轉(zhuǎn)子中部，軸向充磁，兩段鐵芯分別裝在磁鋼的兩端，使得轉(zhuǎn)子軸向分為兩個(gè)磁極。轉(zhuǎn)子鐵芯上均勻分布50個(gè)齒，兩段鐵芯上的小齒相互錯(cuò)開半個(gè)齒距，定轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬相同。線圈7串聯(lián)組成A相繞組；線圈8串聯(lián)組成B相繞組。繞組接線如圖42所示：圖42 兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組接線 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)必須有驅(qū)動(dòng)器和控制器才能正常工作。驅(qū)動(dòng)器的作用是對(duì)控制脈沖進(jìn)行環(huán)形分配、功率放大，使步進(jìn)電機(jī)繞組按一定順序通電，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)器的選擇本設(shè)計(jì)選用型號(hào)為DMD402A的驅(qū)動(dòng)器。該型號(hào)驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)：1）平均電流控制，兩相正弦電流驅(qū)動(dòng)輸出2）直流14～40VDC供電3）光電隔離信號(hào)輸入/輸出4）有過壓、欠壓、過流、相間短路保護(hù)功能5）8檔細(xì)分和自動(dòng)半流功能6）8檔輸出相電流設(shè)置7）具備脫機(jī)功能8）啟動(dòng)轉(zhuǎn)速高9）高速力矩大 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖43所示：圖43 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)接口電路用光電隔離方式將運(yùn)動(dòng)控制器和驅(qū)動(dòng)器連接起來，避免驅(qū)動(dòng)器中的大電流干擾信號(hào)經(jīng)地線竄入運(yùn)動(dòng)控制器電路。環(huán)形分配器將脈沖及方向信號(hào)按設(shè)定的節(jié)拍方式，轉(zhuǎn)換為功放管的導(dǎo)通和截止信號(hào)，從而控制各相繞組的通電和斷電。功率放大器將電源功率轉(zhuǎn)換為電機(jī)輸出功率驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)接口電路如圖44所示：圖44 本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路接線圖當(dāng)兩相控制繞組按次序輪流通電，每拍只有一相繞組通電，四拍構(gòu)成一個(gè)循環(huán)。當(dāng)控制繞組有電流通過時(shí)，便產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)，它與永久磁鋼產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)A相繞組通電時(shí)，在轉(zhuǎn)子N極端磁極1上的繞組產(chǎn)生的S磁極吸引轉(zhuǎn)子N極，使得磁極1下是齒對(duì)齒，磁力線由轉(zhuǎn)子N極指向磁極1齒面，磁極5下也是齒對(duì)齒，磁極3和7是齒對(duì)槽，所示A相通電轉(zhuǎn)子N極端定轉(zhuǎn)子平衡。由于兩段轉(zhuǎn)子鐵芯上的小齒相互錯(cuò)開半個(gè)齒距，在轉(zhuǎn)子S極端， 磁極1和5產(chǎn)生的S極磁場(chǎng)，排斥轉(zhuǎn)子S極，與轉(zhuǎn)子正好是齒對(duì)槽，磁極3和7齒面產(chǎn)生N極磁場(chǎng)，吸引轉(zhuǎn)子S極，使得齒對(duì)齒。A相繞組通電時(shí)轉(zhuǎn)子N極端、S極端轉(zhuǎn)子平衡。如圖45所示。因轉(zhuǎn)子上共有50個(gè)齒，其齒距角為360176。/50=176。，定子每個(gè)極距所占的齒數(shù)為不是整數(shù)，因此當(dāng)定子的A相通電，在轉(zhuǎn)子N極，磁極1的5個(gè)齒與轉(zhuǎn)子齒對(duì)齒，旁邊的B相繞組的磁極2的5個(gè)齒和轉(zhuǎn)子齒有1/4齒距的錯(cuò)位，