步进电动机论文.doc

2009级控制电机步进电动机姓 名学 号 院、系、部电气工程系专 业电气工程及其自动化完成时间2012年5月17日目录一、步进电动机概述21.1简介21.2分类3二、感应子式步进电动机的工作原理32.1反应式步进电动机工作原理32.1.1结构：32.1.2旋转：32.1.3力矩：4三、步进电动机组成53.1脉冲信号的产生。53.2功率放大53.3细分驱动器6四、步进电机的应用74.1步进电机的选择74.1.1步距角的选择74.1.2静力矩的选择74.1.3电流的选择74.1.4力矩与功率换算74.2应用中的注意点8结束语：9参考文献：9摘 要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步进电机件。它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。本文详细介绍了步进电机的发展史，步进电机的分类以及步进电机的发展趋势。关键词：步进电机 脉冲 发展一、步进电动机概述1.1简介步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。1.2分类步进电动机按其输出转矩的大小来分，可以分为快速步进电动机和功率步进电动机。快速步进电动机连续工作频率高而输出转矩较小，一般在Ncm级，可以作为控制小型精密机床的工作台(例线切割机床)也可以和液压转矩放大器组成电液脉冲马达去驱动数控机床的工作台，而功率步进电动机的输出转矩就比较大是Nm级的，可以直接去驱动机床的移动部件。步进电动机按其励磁相数，可以分为三相、四相、五相、六相甚至八相。一般来说随着相数的增加，在相同频率的情况下，每相导通电流的时间增加，各相平均电流会高些，从而使电动机的转速转矩特性会好些，步距角亦小。但是随着相数的增加，电动机的尺寸就增加，结构亦复杂，目前多用36相的步进电动机。步进电动机按其工作原理来分，主要有磁电式和反应式两大类。这里以广泛的感应子式步进电机为例，叙述其基本工作原理。二、感应子式步进电动机的工作原理2.1反应式步进电动机工作原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。2.1.1结构：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错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：2.1.2旋转：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。2.1.3力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力F与（d/d）成正比 其磁通量=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比L为铁芯有效长度，D为转子直径Br=NI/RNI为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。三、步进电动机组成使用,控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：3.1脉冲信号的产生。脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。3.2功率放大功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。说明：CP 接CPU脉冲信号（负信号，低电平有效）OPTO 接CPU+5VFREE 脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作DIR 方向控制，与CPU地线相接，电机反转VCC 直流电源正端GND 直流电源负端 步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如下：3.3细分驱动器在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A，B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。四、步进电机的应用4.1步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。4.1.1步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。4.1.2静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）4.1.3电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：负载步距角净转矩电流电机型号4.1.4力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P= M=2n/60P=2nM/60其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米P=2fM/400(半步工作）其中f为每秒脉冲数（简称PPS)4.2应用中的注意点1)步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。2)步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3)由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。4)转动惯量大的负载应选择大机座号电机。5)电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。6)高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。7)电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。8)电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。9)应遵循先选电机后选驱动的原则。结束语：虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。通过本书的学习我对步进电机有了新的了解，原来步进电机也是有很多型号的，而且目前我国在步进电机这方面发展的不比国外好，很多技术都不如国外，这是值得我们学习的，但是在我国近年来也是迅速发展，相信步进电机在以后在各个领域都会得到广泛的应用。参考文献：哈尔滨工业大学成都电机厂编步进电机刁节涛等编.数字电路与逻辑设计.国防科技大学出版社西安微电研究所编.控制微电机设计目 录第一章 总论11.1项目名称与承办单位11.2研究工作的依据、内容及范围11.3编制原则31.4项目概况31.5技术经济指标51.6结论6第二章 项目背景及建设必要性82.1项目背景82.2建设的必要性9第三章 建设条件113.1项目区概况113.2建设地点选择错误！未定义书签。3.3项目建设条件优劣势分析错误！未定义书签。第四章 市场分析与销售方案134.1市场分析134.2营销策略、方案、模式14第五章 建设方案155.1建设规模和产品方案155.2建设规划和布局155.3运输185.4建设标准185.5公用工程205.6工艺技术方案215.7设备方案215.8节能减排措施24第六章 环境影响评价256.1环境影响256.2环境保护与治理措施266.3评价与审批28第七章 项目组织与管理297.1组织机构与职能划分297.2劳动定员297.3经营管理措施307.4技术培训30第八章 劳动、安全、卫生与消防318.1编制依据及采用的标准318.2安全卫生防护原则318.3自然灾害危害因素分析及防范措施328.4生产过程中产生的危害因素分析及防范措施328.5消防编制依据及采用的标准348.6消防设计原则358.7火灾隐患分析358.8总平面消防设计358.9消防给水设计368.10建筑防火368.11火灾检测报警系统378.12预期效果37第九章 项目实施进度389.1实施进度计划389.2项目实施建议38第十章 项目招投标方案4010.1招标原则4010.2项目招标范围4010.3投标、开标、评标和中标程序4010.4评标委员会的人员组成和资格要求42第十一章 投资估算和资金筹措4311.1投资估算4311.2资金筹措及使用计划45第十二章 财务评价4712.1费用与效益估算4712.2财务分析4812.3不确定性分析4912.5财务评价结论50第十三章 建设合理性分析5113.1产业政策符合性分析5113.2清洁生产符合性分析5113.3规划符合性分析5113.4项目建设环保政策符合性分析5113.5环境承载性分析5113.6结论52第十四章 结论与建议5314