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实验六 步进电动机

步进电动机又称脉冲电动机，是数字控制系统中的一种重要的执行元件，它是将电脉冲信号变换成转角或转速的执行电动机，其角位移量与输入电脉冲数成正比；其转速与电脉冲的频率成正比。在负载能力范围内，这些关系将不受电源电压、负载、环境、温度等因素的影响，还可在很宽的范围内实现调速，快速启动、制动和反转。随着数字技术和电子计算机的发展，使步进电机的控制更加简便、灵活和智能化。现已广泛用于各种数控机床、绘图机、自动化仪表、计算机外设、数模转换等数字控制系统中作为元件。

一、 使用说明
1、 脉冲发生器
脉冲发生器是用来给步进电动机提供脉冲信号的信号源，通过对脉冲发生器的设置可以调节步进电动机运行的速度、方向以及运行的方式，还可以实现步进电动机预置步运行。
本实验使用的脉冲发生器的控制功能是由单片机实现的，拨码器调频范围为50HZ至3000HZ，频率加/减按钮调频范围为20HZ至9000HZ。
（1） 面板示意图：

（2） 使用说明：
首先将脉冲发生器上的公共端、脉冲和方向三个接口和驱动器上对应的接口用导线连接好，然后将电源接口和电源用导线连接起来，注意接线端正负！接好线后打开电源。电源选用电源箱上的双路直流稳压电源。
连续运行的设置方法：在打开电源后，要实现步进电动机的连续运行，要设置一个频率或者【使用默认值50HZ】。将“频率/个数这个开关拨到频率处，这时“频率及个数指示”显示的是当前的频率，设置之前显示的默认数值是0000【或者0050】。在“频率及个数输入”输入一个数字（注意范围要在50-3000之间），例如输入了100，将“预置/连续”开关拨到预置处，并持续1秒钟以上，然后放开开关（开关会自动回到原处），这时“频率及个数指示”显示的当前的频率应该是100HZ。然后将“预置/连续”开关拨到连续处，将“单步/运行”开关拨到运行处，这样步进电动机就会在频率为100Hz的脉冲下连续运行。“正向/反向”开关可以设置步进电动机的运行方向。
预置步运行的设置方法：首先也必须要设置一个频率（或者使用默认频率50HZ），设置的方法和连续运行的设置方法是一样的。频率设置好后，将 “频率/个数”开关拨到个数处，这时 “频率及个数指示” 显示的是当前设置的脉冲的个数，设置之前应该是0000。在 “频率及个数输入”输入一个数字（范围在0-9999），例如输入了1000，将 “预置/连续” 开关拨到预置处，并持续1秒钟以上，然后放开开关（开关会自动回到原处），这时 “频率及个数指示” 显示的当前的个数应该是1000。然后将 “单步/运行” 开关拨到运行处，这是步进电动机开始运行，当脉冲发生器发出了1000个脉冲信号后，步进电动机停止转动。（注意 “预置/连续” 开关不要拨到连续处，如果拨到连续处的话，步进电动机会以连续运行状态运行。）
单步运行的设置方法：单步运行无需设置频率（设置了频率也可以单步运行），将 “频率/个数” 开关拨到个数处，使“频率及个数指示” 显示的是发出脉冲的个数。拨 “单步/运行” 开关到单步处，每拨一下，脉冲发生器就会发出一个脉冲，同时 “频率及个数指示” 就会显示出发出脉冲的个数。
【频率加和频率减的设置方法：频率加/减的设置，将 频率/个数 开关拨到频率处，使频率及个数指示 显示的是频率值。按下频率加或频率减按钮，频率及个数指示 所显示的频率值就会相应改变。无论步进电机是否处于运行状态均可改变频率，调节范围20HZ至9000HZ。】

2、旋转编码器及数显表
本实验中，旋转编码器和数显表的作用是计算和显示步进电动机转过的角度的。
数显表的电源为交流220V，数显表模块后面的插座即为数显表的电源插座。旋转编码器的电源为数显表提供的直流12V电源（线已经接好）。接通电源后将数显表清零（CLR键），当步进电动机转动后，数显表所显示的数值就是步进电动机转过的角度（实验时注意随时清零）。数显表显示的数值本质上脉冲的个数，但因为本实验中用到的编码器转一周发出360个脉冲，所以可以看成是转过的角度，如果编码器转一周发出的脉冲为N，则需要公式进行换算。
转过的角度=显示的脉冲数*（360/N）
3、步进电动机实验装置
本装置已经将步进电动机紧固在实验架上，实验时将步进电动机的航空插针插在驱动器的模块上。模块上的两个A接线口是用来串接电阻和电流表的，在不需要电阻和电流表的实验中用导线将其连接上。
实验架的上端装有定滑轮和一个固定支点，将一个50N的拉力计连接在固定支点上，另一个50N的拉力计通过丝线与下滑轮、测量盘、棘轮机构等连接。装置的下方设有棘轮机构。整套系统由丝绳把棘轮机构、定滑轮、拉力计、力矩测量盘等连接在一起构成一套完整的力矩测量机构。
在了解了上面介绍的几个设备后，就可以开始步进电动机相关的实验了。
二、步进电动机实验
1、实验目的：
（1）通过实验加深对步进电动机的驱动电源和电机工作情况的了解。
（2）掌握步进电动机基本特性的测定方法。
2、实验设备：
序号
名 称
数量
1
三相反应式步进电动机
1
2
步进电动机驱动器
1
3
脉冲触发器
1
4
（信号发生器）
1
5
（频率计）
1
6
阻容综合元件板
1
7
可调电阻箱
1
8
直流电流表
1
9
光电转速表
1
10
旋转编码器及数显表
1
11
力矩测量机构
1
3、实验项目：
（1） 步进电动机单步运行状态
（2） 角位移和脉冲数的关系
（3） 空载突跳频率的测定
（4） 空载最高连续工作频率的测定
（5） 转子振荡状态的观察
（6） 定子绕组中电流和频率的关系
（7） 平均转速和脉冲频率的关系
（8） 矩频特性的测定以及最大静力矩特性的测定
实验（1）（2）（3）由脉冲发生器来完成，其他实验用信号源完成。
4、实验线路图：
图6.1 步进电动机实验接线图
按图6.1所示接线，其中脉冲发生器和步进电动机驱动器的电源选用直流双路稳压电源，分别调定在24V和27V，数显表选用电源箱上交流220V电源。接线线时注意正负。
5、实验步骤：
（1）单步运行状态
接通电源，操作脉冲发生器，使步进电动机处于单步运行状态。
（2）角位移和脉冲数的关系
接通电源，设置好预置脉冲数，使电动机处于预置步运行状态，电动机停止运行后，观察并记录电动机运行的角度，然后重复一遍。再重新设置另一脉冲数，使电动机处于预置步运行状态，电动机停止运行后，观察并记录电动机运行的角度，然后重复一遍。并利用公式计算电动机偏转角度与理论值是否一致。
表6.1 步数=
序号
实际电机偏转角度
理论电机偏转角度

表6.2 步数=
序号
实际电机偏转角度
理论电机偏转角度

（3）空载突跳频率的测定
首先设置一个频率,然后控制系统置连续运行状态,观察电动机运行是否正常,如果正常则让电动机停止运行,提高频率,再将电动机置于连续运行状态,直到电动机不失步启动的最高频率,则该频率为步进电动机的空载突跳频率。记为（ ）Hz。
（4）空载最高连续工作频率的测定
首先使步进电动机空载，然后使步进电动机工作连续运转，缓慢调节速度调节旋钮时频率提高，仔细观察电机是否不失步，如不失步，则继续缓慢提高频率，直至电机能连续运转的最高频率，（用频率计测得该频率，）则该频率为步进电动机空载最高连续工作频率。记为（ ）Hz。（注意缓慢调节旋钮）
（5）转子振荡状态的观察
步进电动机连续运行后，调节并降低脉冲频率，直至步进电动机声音异常或出现电机转子来回偏摆即为步进电动机的振荡状态。（用频率计测得该频率）。【注意要快速按下和放开 频率减】
（6）定子绕组中电流和频率的关系
在步进电动机电源的输出端串接一只直流电流表。设置步进电动机为连续运行状态。由低到高改变信号发生器的频率，并记录对应的电流表的平均值。记录于表6.3中。
表6.3
序号
f(Hz)
I(A)

(7) 平均转速和脉冲频率的关系
设置步进电动机为连续运行状态。由低到高改变脉冲发生器的频率，记录不同频率下步进电动机的转速，记录于表6.4中。
表6.4
序号
f(Hz)
n(r/min)

(8) 矩频特性测定
将两个50N的拉力计挂在实验架上，用丝线将拉力计、步进电动机和棘轮联系在一起。设定频率后将步进电动机置于连续工作状态。旋转棘轮手柄，拉力计通过丝线对步进电动机带动的测量盘施加制动力矩[T=（F大-F小）*r],仔细测定对应设定频率的最大输出动态力矩（电机失步前的力矩）。改变频率，重复上述过程得到一组与频率f对应的转矩T值，即为步进电动机的矩频特性T=f(f)。记录于表65中。

表6.5 D= cm
序号
f(Hz)
F大(N)
F小(N)
T(N.cm)

(9) 静力矩特性T=f(I)
关闭电源，控制电路工作于单步运行状态，把一只3安直流电流表串入A相绕组回路（注意+，-端），把悬线一端串在皮带轮边缘的小孔并固定，另一端盘绕皮带轮凹槽几圈后接在50N弹簧秤下面的钩子上，弹簧秤的另一端通过悬线与定滑轮，棘轮机构连接。
接通电源，使A相绕组通过电流，缓慢旋转手柄，读取并记录弹簧秤的最大值即为对应电流I的最大静力矩Tmax的值（Tmax=F*D/2），改变驱动器上的控制开关调节电流大小，重复上述过程，可得一组电流I值即对应I值的最大静力矩Tmax值，即为Tmax=f（I）静力矩特性。共取4-5组记录于表6.6中。

表6.6 D= cm
序号
I（A）
F（N）
Tmax（N.cm）

（五）实验报告
经过上述实验后，需对照实验内容写出数据总结并对电机试验加以小结。
1步进电机的特性：
⑴ 单步运行状态：步矩角
⑵ 角位移和脉冲数（步数）关系
⑶ 空载突跳频率
⑷ 空载最高连续工作频率
⑸ 绕组电流的平均值与频率之间的关系
⑹ 平均转速和脉冲频率的特性n=f（f）
⑺ 矩频特性T=f（f）
⑻ 最大静力矩特性Tmax=f（f）
（六）思考题
⒈ 影响步进电机布局的因素有哪些？对实验用步进电机，采用何种方法步距最小？
⒉ 平均转速和脉冲频率的关系怎样？为什么特别强调的是平均转速？
⒊ 最大静力矩特性是怎样的特性？有什么因素造成？
⒋ 对该步进电机矩频特性加以评价，能否再进行改善？若能改善应从何处着手？
⒌ 各种通电方式对性能的影响？
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