步進電機的原理與應(yīng)用設(shè)計

步進電機的原理與應(yīng)用設(shè)計僅供個人參考步進電機隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，它廣泛用于打印機、電動玩具等消費類產(chǎn)品以及數(shù)控機床、工業(yè)機器人、醫(yī)療器械等機電產(chǎn)品中，其在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。研究步進電機的控制系統(tǒng)，對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。步進電機是一種能夠?qū)㈦娮用}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件，它實際上是一種單相或多相同步進電動機。單相步進電動機有單路電脈沖驅(qū)動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進電動機有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。使用多相步進電動機時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)為多相脈沖信號，在經(jīng)過功率放大后分別送入步進電機各項繞組。每輸入一個脈沖信號，電動機電動機各項的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度，也就是步距角。正常情況下步進電機轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖的頻率保持嚴格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電機能直接接受數(shù)字量的輸入，所以特別適合微機控制。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse步進電機的一些特點：1.一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。2.步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)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80-90度完全正常。步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)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(dǎo)致力矩下降。步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，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(shù)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(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)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(zhuǎn)速從低速升到高速）。步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。步進電動機有如下特點：1） 步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比。因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一圈后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。2） 由步進電動機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡單、廉價，又非?？煽浚瑫r，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） 步進電動機的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。4） 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)整，低速下仍能獲得較大轉(zhuǎn)距，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負載。5） 步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，不能直接使用交流電源和直流電源。6） 步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應(yīng)措施。不得用于商業(yè)用途國內(nèi)控制器的研究起步較晚，運動控制技術(shù)為一門多學(xué)科交叉的技術(shù)，是一個以自動控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，包括許多不同學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域。如電機技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制理論和微計算機技術(shù)等，運動控制技術(shù)是這些技術(shù)的有機結(jié)合體?？傮w上來說，國內(nèi)研究取得很大的進步，但無論從控制器還是從控制軟件上來看，與國外相比還是具有一定差距。在國內(nèi)，步進電機驅(qū)動器是從五十年代開始發(fā)展，實際上進入七十年代后才開始有較大進展至今己有較好的基礎(chǔ)和一定的規(guī)模。七十年代，我國曾經(jīng)花費了很大的力量來發(fā)展采用步進電動機系統(tǒng)的數(shù)控機床。眾所周知，那次的發(fā)展很不成功，主要是控制系統(tǒng)的不可靠、不穩(wěn)定所造成的。其中，步進電動機的驅(qū)動器性能較差、價格昂貴、可靠性低是一個重要的原因。八十年代末開始在我國發(fā)展的經(jīng)濟型機床控制系統(tǒng)，它是一種用單板計算機和步進電機開環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成的簡易型控制裝置。由于采用了單板機控制，使得控制部件的穩(wěn)定性、可靠性大為提高，成本下降。而步進電機及其驅(qū)動器仍基本上停留在較低的水平，成為這種系統(tǒng)發(fā)展的主要障礙。電動機的理論、設(shè)計和制造技術(shù)相對較強，驅(qū)動器的發(fā)展則是一個薄弱的環(huán)節(jié)，一方面在我國步進電機的驅(qū)動器多采用傳統(tǒng)線路結(jié)構(gòu)，性能落后；另一方面還表現(xiàn)在缺乏驅(qū)動器專業(yè)生產(chǎn)。目前我國許多廠家已研制生產(chǎn)出步進電機的驅(qū)動器，其技術(shù)設(shè)計基本上是引進國外的專用芯片，且其性能還存在許多不足（如節(jié)能、穩(wěn)定性等），與國外產(chǎn)品相比還有一定距離.而對于控制器的研究國內(nèi)起步較晚，運動控制技術(shù)為一門多學(xué)科交叉的技術(shù)，是一個以自動控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，包括許多不同學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域。如電機技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制理論和微計算機技術(shù)等，運動控制技術(shù)是這些技術(shù)的有機結(jié)合體。對于步進電機控制系統(tǒng)，運動控制器就像是它的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，指揮著它的每個動作?？刂破鹘邮障鄳?yīng)指令，并根據(jù)指令向各進給電機發(fā)出控制信號，各個電機的驅(qū)動器則將控制信號轉(zhuǎn)變成直接驅(qū)動電機的電信號。開放式運動控制己成為運動控制的發(fā)展方向，因此對控制器也有更高的要求。目前控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中多采用如下方案之一構(gòu)成：不得用于商業(yè)用途基于PC和微處理器.由單片機等微處理器為核心部件，加上存儲器、編碼器信號處理電路以及D/A轉(zhuǎn)換電路等組成控制器，其控制算法的程序固化在存儲器中。而上位機基于PC的控制系統(tǒng)，由于聯(lián)動插補算法較復(fù)雜，有大量浮點運算，對實時性要求又較高，選用PC來完成粗插補運算和數(shù)值運算。同時可利用豐富的PC軟件來改善控制系統(tǒng)的圖形顯示、動態(tài)仿真、編程和診斷功能。基于微控制器設(shè)計的專用集成電路，如美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM628,惠普公司的HCPLl100等。用一個芯片即完成速度曲線規(guī)劃、PID伺服控制算法、編碼器信號的處理等多種功能。一些需要用戶經(jīng)常更改的參數(shù)如電機位置、速度、加速度、PID參數(shù)等均在芯片內(nèi)部的RAM內(nèi)，可由計算機用指令很方便的修改。但由于受到運算速度的限制，復(fù)雜的控制算法和功能很難實現(xiàn)。基于PC總線的開放式系統(tǒng)控制器和可編程數(shù)字邏輯器件。可編程器件具有:高性能、高集成度、高靈活性、簡化電路等優(yōu)點。而現(xiàn)在的奔騰、奔騰II、奔騰III微處理器計算速度和運算能力很強大，以其為基礎(chǔ)的控制器已經(jīng)能同專用的控制器相媲美。但這個方案采用元器件較多，可靠性低，體積比較大，軟件設(shè)計工作量較大。而系統(tǒng)中各個坐標(biāo)軸電機還需具備位置控制功能，位置控制實時性很強，當(dāng)控制軸數(shù)較多時，任務(wù)與插補共用一個CPU會導(dǎo)致系統(tǒng)主機負擔(dān)太重，實時性不易保證，而且故障風(fēng)險過于集中?；跀?shù)字信號處理器(DSP)型.20世紀(jì)90年代以來，隨著計算機技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，將運算高速、功能強大的數(shù)字信號處理器應(yīng)用于控制器。許多公司研制了以DSP為微處理器的控制器，這些控制器一般以IPC或兼容機為硬件平臺，以DOS或WINDOWS為軟件平臺，采用開放式開發(fā)手段，使用很方便。美國DeltaTauPMAC一PC以DataSystem公司推出的PMAC系列伺服控制器比較有代表性。Motorola公司的DSP56001為微處理器，主頻20/30MHz,60/40微秒/軸的伺服更新率，36位位置范圍，16位DAC輸出分辨率，10/15MHz編碼計數(shù)率，每秒可處理多達500條程序，可以完成直線或圓弧插補，'曲線”加速和減速，三次軌跡計算、樣條計算。利用DSP強大的運算功能實現(xiàn)1-8軸的多軸實時控制。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)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(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。混合式步進電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。本次驅(qū)動方案所選用的步進電機是永磁式步進電機。步進電機主要的技術(shù)指標(biāo)有：1） 步距角指每給一個電脈沖信號電動機轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度的理論值。目前國產(chǎn)商品化步進電機常用步距角為：0.36、0.6、0.72、0.75、0.9、1.2、1.5、1.8、2.25、3.6、4.5度等。2） 齒距角相鄰兩齒中心線間的夾角，通常定子和轉(zhuǎn)子具有相同的齒距角。3） 失調(diào)角失調(diào)角是指轉(zhuǎn)子偏離零位的角度。4） 精度步進電機的精度有兩種表示方法，一種用步距誤差最大值來表示，另一種用步距累計誤差最大值來表示。最大步距誤差是指電動機旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)相鄰兩步之間的最大步距角和理想步距角的差值，用理想步距的百分數(shù)表示。最大累計誤差是指任意位置開始經(jīng)過任意步之間，角位移誤差的最大值。5） 轉(zhuǎn)矩步進電機轉(zhuǎn)矩是