步進(jìn)電機(jī)的原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)

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1、步進(jìn)電機(jī)隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，它廣泛用于打印機(jī)、電動玩具等消費(fèi)類產(chǎn)品以及數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中，其在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。研究步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jī)電元件，它實(shí)際上是一種單相或多相同步進(jìn)電動機(jī)。單相步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。使用多相步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電機(jī)

2、各項(xiàng)繞組。每輸入一個脈沖信號，電動機(jī)電動機(jī)各項(xiàng)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電機(jī)能直接接受數(shù)字量的輸入，所以特別適合微機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn)：1．一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。2．步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(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

3、步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3．步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)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(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。4．步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)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(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)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

4、所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。步進(jìn)電動機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，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(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)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(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識。步進(jìn)電動機(jī)有如下特點(diǎn)：1）步進(jìn)電動機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一圈后，沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。2）由步進(jìn)電動機(jī)與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡

5、單、廉價(jià)，又非?？煽?，同時，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)電動機(jī)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(fù)載。5）步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，不能直接使用交流電源和直流電源。6）步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)措施。國內(nèi)控制器的研究起步較晚，運(yùn)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(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)等，

6、運(yùn)動控制技術(shù)是這些技術(shù)的有機(jī)結(jié)合體?？傮w上來說，國內(nèi)研究取得很大的進(jìn)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動器是從五十年代開始發(fā)展，實(shí)際上進(jìn)入七十年代后才開始有較大進(jìn)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(fèi)了很大的力量來發(fā)展采用步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)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(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器性能較差、價(jià)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(jì)型機(jī)床控制系統(tǒng)，它是一種用單板計(jì)算機(jī)和步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成的簡易型控制裝置。由于采用了單板

7、機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jī)的理論、設(shè)計(jì)和制造技術(shù)相對較強(qiáng)，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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器，其技術(shù)設(shè)計(jì)基本上是引進(jìn)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(yùn)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