步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为制执行元件，是电气自动化的关键产品之一, 广泛应用在各种 自动化控制系统和精密机械等领域。两相步进电机例如，在仪器仪表，机床设以 及计算机的外围设中（如打印机和绘图仪等），凡需要对转角进行 控制的情况下，使用步进电机为理想。随着微电子和计算机技 术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应 上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气 隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，由于资本主义列强争夺 殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长 足的进步。到了80 年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态 出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系 统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂， 要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重 新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动 机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势， 也符合数字化的时代趋势。 步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控 制。步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器 使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一 定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变 化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就 会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电 机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转 子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产 生转矩。现阶段，反应式步进电机获得多的应用。 步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个 特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在 控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的 直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电 机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。两相步进电机使用 恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。 步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它的应用是在数 控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D 转换，能够直接将数字脉 冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。 早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭 矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进 电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元 件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这 个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其 二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的 驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他 的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的 马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的 用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提 高，步进电机将会在更多的领域得到应用 关键词 PLC 电动机 变频器 ：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号 的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号， 电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周 期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步 进电机来控制变的非常的简单。步进电机的调速一般是改变输入步进 电机的脉冲的频率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉 冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉冲 到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体控制 步进角来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。在本设计方案 中采用 SX——802A 综合工业自动化控制实验装置改变 PLC 脉冲的 频率从而实现对步进电机的转速进行控制，实现电机调速与正反转的 功能 步进电动机的结构与原理《因为没有查找到五相步进电动机的相关内部结构，所以 在这一节用三相步进电动机为例。》 步进电机的内外结构步进电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁 绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即 向右错开2/3 相对齐，（A就是A，齿5就是齿1） 下面是定转子的展开如图1-1 所示： 图1-1 定子展开图 电动机定子铁心和一般电机一样由硅钢片叠成，铁心内孔 表面有开口槽。转子装有一个轴向磁化永磁体用以产生一个 单向磁场。永磁体产生的磁通，在每一个气隙圆周上都是单 方向通过气隙的，这时作用在气隙中的磁势是同极性的，称 为单极磁势。而转子包括两段，一段经永磁体磁化成N 另一段磁化为S极，每段转子齿以一个齿距间隔均匀分布， 但两段转子的齿相互错开1/2 个转子齿距。A) 极段截面图如图1-2所示: 极段截面图图1-2 三相混合式步进电机截面图 1.2 步进电机详细调速原理： 步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频 率来实现步进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转 动一个固定的角度，这样就可以通过控制步进电机的一个脉 冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短 来具体控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电的调 速。具体的延时时间可以通过软件来实现。 五相步进电动机方案的选择在设计步进电动机的驱动系统前我们应该针对工作所 面对的对象选择正确的方案，首先要清楚开环与闭环控制的 区别。 开环控制与闭环控制一般而言,步进电机的控制方式可以分为开环控制和闭 环控制两种。 开环控制的步进电机驱动系统的输入脉冲不依赖与转 子的位置,而是事先按一定规律给定的。在这里,负载位置对 控制电路没有反馈,因此步进电机必须正确的响应每次励磁 变化,如果励磁变化太快,电机不能够移动到新的要求位置, 那么实际的负载位置相对控制器所期待的位置将出现 误差。两相步进电机如果负载参数基本上不随时间变化,那么相与相之间 控制信号的延时设置比较简单,但是在负载可能变化的应用 场合下,延时必须以坏的情况进行设定。并且这样确定的 控制方式对于其他负载而言并非,这其实就限制了开环 控制的应用范围。 开环控制还有一个缺陷就是电机的输出转矩和速度在 很大程度上取决于驱动电源和控制方式。对于不同的电机或 者同一种电机不同的负载,很难找到通用的加减速规律,因 此使提高步进电机的性能指标受到限制。 闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度, 然后通过反馈和适当的处理,自动给出脉冲链,使步进电机 每一步都响应控制信号的命令,从而只要控制策略正确电机 不可能轻易失步。 初始是电机系统受一相或几相励磁而静止。开始工作时 先把目标位置送入减法计数器,然后将启动信号加到控制单 元,控制单元把命令信号送到相序发生器,使励磁变化一次。 电机以负载参数决定的速率开始加速。 当步位置快到时,位置检测器产生一个送到减法计 数器和控制单元的脉冲。减法计数器减一,负载相对目标位 置响应减一。在这里注意闭环控制中减法计数器记录的是实 际的负载位置,而在开环控制中计数器只寻要记录送给电机 的步进命令数,并不保证这些命令是否被执行。 送达控制单元的位置检测脉冲用来产生下一步命令。负 载越大则达到步位置所花的时间就越长，相继的步进命 令之间的时间间隔就越长，因而自动适应了比较慢的加速速 电机开始减速的时刻由减法计数器决定。在减速期间，执行的步数取决于负载条件，惯量大、转矩小的负载需要更 多的减速步数。如果实际的负载条件没有坏的情况那么严 重，那么系统在达到目标位置前的步进速率将底于启动频 率，因此就会可靠地停止。当减法计数器为零时，则表示要 求的步数已执行完毕。这时减法计数器发出一个停止信号控 制单元，从而禁止以后的步进命令，系统工作停止。 综上所述，闭环控制的励磁延时设置随负载而变化，他 能产生接近的速度曲线和快速的负载定位。并且一般采 用直接监视负载位置的方法，因此发生失步的可能性大大减 在本实验中因为要求不是很高，所以只要采取简单的开环控制系统，用来实现步进电动机的正转、反转、加速、减速。 系统原理步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移 的执行元件。步进电动机的运动由一系列电脉冲控制，脉冲 发生器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序 加到电动机的各相绕组上。步进电动机转子转动的速度取决 于脉冲信号的频率，总位移量取决于总的脉冲数，它作为伺 服电动机应用于控制系统时，可以使系统简化，工作可靠， 而且可以获得较高的控制精度。为了使电动机能够输出足够 的功率，经过环形分配器产生的脉冲信号还需要进行功率放 环形分配器、功率放大器以及其他辅助电路统称为步进电机的驱动电源。步进电动机、驱动电源和控制器构成 步进电动机传动控制系统，如图4-1 所示 3．2驱动电源 环形分配器、功率放大器以及其他辅助电路统称为步进 电机的驱动电源。 环形分配器环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到 放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和断开，并 根据指令使电动机正转或反转，实现确定的运行方式。 软件环形分配器 一般微机系统需要进行如下设置： 设置输出接口 设输出口的 P1。0 相。设计环形分配子程序；在存储器中建立环形分配表；设计延时子程序； 设计延时子程序来控制步进频率；当电机绕组通电时序为 AB-BC-CD-DE-EA 时为正转，通电时序为 AE-ED-DC-CB-BA 驱动电路单电压限流型驱动电路 这种电路的特点是线路简单，成本低，低频时响应较好； 缺点是效率低，尤其在高频工作的电动机效率更低。在实际 中较少使用，只有在小功率步进电动机且在简单应用中才使 双电压驱动电路这种电路的特点是电动机绕组主电路中采用高压和低 压两种电压供电，一般高压为低压的数倍。适用于大功率和 高频工作的步进电动机，优点是功耗小，起动力矩大，突跳 频率和工作频率高，缺点是低频振荡加剧，波形呈凹形，输 出转矩下降；大功率管的数量多用一倍，增加了驱动电源。 斩波驱动电路 斩波电路的出现是为了弥补双电压电路波形呈现凹形的 缺陷，改善了输出转矩的下降，使励磁绕组中的电流维持在 额定值附近 升频升压驱动电路 为了减小低频振动，应使低速时绕组电流上升的前沿较 平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时不产生过 冲，而在高速时则应使电流有较陡的前沿，以产生足够的绕 组电流，才能提高步进电动机的带载能力。这就要求驱动电 源低频时用较低的电压供电，高频时用较高的电压供电。升 频升压驱动电路可以较好地满足这一要求。
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