《畢業(yè)設(shè)計說明書_基于直線步進(jìn)電機(jī)的三自由度機(jī)械臂設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《畢業(yè)設(shè)計說明書_基于直線步進(jìn)電機(jī)的三自由度機(jī)械臂設(shè)計（58頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

18710754489趙中越 鄭州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 設(shè)計（論文）題目：基于直線步進(jìn)電機(jī)三自由度機(jī)械 臂設(shè)計 所 在 系 ： 機(jī)械工程系 專 業(yè) 名 稱 ： 機(jī)械制造與自動化 學(xué) 生 姓 名： 王浩 學(xué) 號： 200624130 指 導(dǎo) 教 師： 2009年 3 月 30 日 鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程系 畢業(yè)設(shè)計說明書 設(shè)計題目: 基于直線步進(jìn)電機(jī)的三自由度機(jī)械臂設(shè)計 學(xué)生姓名： 王浩 學(xué) 號： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 2009 年 3 月 30日 摘 要 本文對步進(jìn)電機(jī)的工作原理和運(yùn)動控制做了闡述，對如何防止步進(jìn)電機(jī)失步和過沖做出了系統(tǒng)說明，并深入研究了步進(jìn)電機(jī)在升降速過程中脈沖頻率曲線的設(shè)計和他們的優(yōu)缺點(diǎn)；認(rèn)真研究了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制的原理，然后給出了具體的實現(xiàn)方法。 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。 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)、電子及計算機(jī)等許多專業(yè)知識。 關(guān)鍵詞: 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動器 結(jié)構(gòu)原理 驅(qū)動方式 abstract In this paper, the working principle of stepper motor and motion control to do the explanation on how to prevent out-of-step stepper motor and the overshoot to the system descriptions and in-depth study of the stepper motor speed at take-off and landing during the pulse frequency curve of the design and their advantages and disadvantages; carefully studied the breakdown of stepper motor control theory, then give a specific method of implementation. Stepper motor is the electric pulse signal into an angular displacement or linear displacement of the open-loop control components. In the non-overloaded case, motor speed, and stop depending on the location of only pulse frequency and pulse number, free from the impact of changes in load, that is, to add a pulsed electrical signal, then turn a motor step angle. The existence of this linear relationship, together with the stepper motor only cyclical error without accumulative error and so on. Made in terms of speed, position control, such as stepper motor used to control the change very easy. Although the stepper motor has been widely applied, but the stepper motor is not as common DC motor, AC motor in the conventional use. It must be from a dual Ring pulse signal, power driver circuit, such as control system components may use. So make good use of stepper motor is not an easy task, which involves mechanical, electrical, electronic and computer expertise. Keywords: stepper motor drives the structure of the principle-driven approach 目 錄 摘 要 3 abstract 4 目 錄 5 序言 7 1方案說明： 9 1.1 課題研究現(xiàn)狀及研究意義 9 1.1.1直線步進(jìn)電機(jī)的研究現(xiàn)狀 9 1.1.2研究意義 10 1.2總體介紹 10 1.3 設(shè)計要求 11 1.3.1工作環(huán)境要求 11 1.3.2直線步進(jìn)電機(jī)自身特點(diǎn) 12 1.3.3直線步進(jìn)電機(jī)工作特點(diǎn) 13 1.3.4直線步進(jìn)電機(jī)技術(shù)概述 14 2 原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計 18 2.1直線步進(jìn)電機(jī)的原理 18 2.1.1感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)工作原理 20 2.2.2、感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī) 22 2.2步進(jìn)電機(jī)的選用 26 2.2.1 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用 26 2.2.2、步進(jìn)電機(jī)的選擇 28 2.2.3、應(yīng)用中的注意點(diǎn) 30 2.3電機(jī)調(diào)速的功率控制原理 31 2.3.1、功率控制與轉(zhuǎn)矩控制 31 2.3.2、功率控制的方法與性能 34 2.3.3、功率控制的理想空載轉(zhuǎn)速，效率與機(jī)械特性 38 2.3.4、異步機(jī)調(diào)速分類與方法 39 2.3.5、結(jié)論 40 3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 40 3.1細(xì)分電機(jī)驅(qū)動電路 41 3.1.1、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分原理 41 3.1.2、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分倍數(shù)與定位精度的關(guān)系 42 3.2基于AT89C2051的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器系統(tǒng)電路原理 44 3.3、直線步進(jìn)電機(jī)在自動生化分析儀上的應(yīng)用 45 4驅(qū)動控制系統(tǒng) 47 4.1、驅(qū)動控制系統(tǒng)組成 47 4.1.1脈沖信號的產(chǎn)生及分配 48 4.1.2功率放大系統(tǒng) 48 圖36電壓與力矩的關(guān)系 4.1.3細(xì)分驅(qū)動器 49 4.2關(guān)于驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究 50 4.2.1電機(jī)驅(qū)動程序的具體設(shè)計與實現(xiàn) 50 4.2.2電機(jī)驅(qū)動方式 53 結(jié)論： 55 致謝： 56 參考文獻(xiàn) 57 序言 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)樣品 　　上個世紀(jì)就出現(xiàn)了步進(jìn)電動機(jī)，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，動作原理和今天的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)沒有什么區(qū)別，也是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。在本世紀(jì)初，由于資本主義列強(qiáng)爭奪殖民地，造船工業(yè)發(fā)展很快，同時也使得步進(jìn)電動機(jī)的技術(shù)得到了長足的進(jìn)步。到了80年代后，由于廉價的微型計算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動機(jī)的控制方式更加靈活多樣。原來的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用分立元件或者集成電路組成的控制回路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路。計算機(jī)則通過軟件來控制步進(jìn)電機(jī)，更好地挖掘出電動機(jī)的潛力。因此，用計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代趨勢。 步進(jìn)電機(jī)和普通電動機(jī)不同之處是步進(jìn)電機(jī)接受脈沖信號的控制。步進(jìn)電機(jī)靠一種叫環(huán)形分配器的電子開關(guān)器件，通過功率放大器使勵磁繞組按照順序輪流接通直流電源。由于勵磁繞組在空間中按一定的規(guī)律排列，輪流和直流電源接通后，就會在空間形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子步進(jìn)式的轉(zhuǎn)動，隨著脈沖頻率的增高，轉(zhuǎn)速就會增大。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)同時與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān)。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。其中反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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?，F(xiàn)階段，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)獲得最多的應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 　　步進(jìn)電機(jī)和普通電機(jī)的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動的形式，正是這個特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。不過步進(jìn)電機(jī)在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)的閉環(huán)控制的直流伺服電動機(jī)。在精度不是需要特別高的場合就可以使用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)可以發(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低的特點(diǎn)。使用恰當(dāng)?shù)臅r候，甚至可以和直流伺服電動機(jī)性能相媲美。 步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在數(shù)控機(jī)床的制造中，因為步進(jìn)電機(jī)不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認(rèn)為是理想的數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行元件。早期的步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達(dá)。隨著步進(jìn)電動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動機(jī)已經(jīng)能夠單獨(dú)在系統(tǒng)上進(jìn)行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進(jìn)電動機(jī)用作數(shù)控銑床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電動機(jī)，在這個應(yīng)用中，步進(jìn)電動機(jī)可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進(jìn)電機(jī)也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機(jī)同步系統(tǒng)的驅(qū)動電動機(jī)。除了在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)也可以并用在其他的機(jī)械上，比如作為自動送料機(jī)中的馬達(dá)，作為通用的軟盤驅(qū)動器的馬達(dá)，也可以應(yīng)用在打印機(jī)和繪圖儀中。 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。 1方案說明： 本章概要：本章對國內(nèi)外直線步進(jìn)電機(jī)設(shè)備的研制狀況、步進(jìn)電機(jī)設(shè)備的生產(chǎn)使用方法進(jìn)行了簡要介紹，提出了該課題研究的意義、價值。進(jìn)而介紹了該課題研究的總體內(nèi)容，對設(shè)計應(yīng)滿足的目標(biāo)進(jìn)行了說明。 1.1 課題研究現(xiàn)狀及研究意義 1.1.1直線步進(jìn)電機(jī)的研究現(xiàn)狀 八十年代前后時期：我國步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品八十年代以前一直以定子六極轉(zhuǎn)子四十齒的三相磁阻式步進(jìn)電機(jī)為主，另外有定子十極轉(zhuǎn)子一百齒的五相磁阻式步進(jìn)電機(jī)和其它的一些品種。八十年代開始發(fā)展的混合式步進(jìn)電機(jī)，則是以定子八極轉(zhuǎn)子五十齒的二相(四相)混合式步進(jìn)電機(jī)為主，一九八七年開始生產(chǎn)定子十極轉(zhuǎn)子五十齒的五相混合式步進(jìn)電機(jī)，同時還發(fā)展了一些不同于國外的產(chǎn)品，例如定子八極轉(zhuǎn)子六十個齒的二相(四相)混合式步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子一百齒的三相、九相混合式步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)子兩百齒的五相混合式步進(jìn)電機(jī)等。從上述進(jìn)程可以看出，步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品種類繁多混雜，對產(chǎn)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展十分不利。 微步驅(qū)動技術(shù)突破時期：步進(jìn)電機(jī)屬于增量運(yùn)動控制器件，微步驅(qū)動技術(shù)快速發(fā)展使其分辨率大大提高，已經(jīng)達(dá)到接近連續(xù)運(yùn)動控制器件的狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)具有了“類伺服”特性。微步驅(qū)動技術(shù)實際上就是電流波形控制技術(shù)，傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器僅對相繞組的電流進(jìn)行通斷控制，在轉(zhuǎn)子齒數(shù)一定的條件下，只有增加了相數(shù)才能增加電機(jī)的分辨率，例如五相混合式步進(jìn)電動機(jī)，因為比兩相混合式步進(jìn)電機(jī)相數(shù)多，分辨率更高，就形成獨(dú)立的系列產(chǎn)品。而在電流波形控制技術(shù)日趨成熟的今天，只須增加兩相步進(jìn)電機(jī)電流波形的階梯數(shù)，就可以使分辨率達(dá)到與五相步進(jìn)電機(jī)一樣的程度，為統(tǒng)一步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)創(chuàng)造了技術(shù)條件。 步進(jìn)電機(jī)品種趨于統(tǒng)一的新時期：隨著步進(jìn)馬達(dá)IC技術(shù)在大功率和高集成度方面出現(xiàn)突破，例如德國TRINAMIC運(yùn)動控制系列產(chǎn)品中的馬達(dá)IC產(chǎn)品；東芝公司二零零八年開始主推的TB6560AHQ步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動芯片產(chǎn)品；在TB6560AHQ基礎(chǔ)上開發(fā)的步進(jìn)馬達(dá)IC產(chǎn)品THB6064H、THB6016H等；馬達(dá)IC技術(shù)突破將使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用空間出現(xiàn)大幅度提升。 中國步進(jìn)電機(jī)網(wǎng)將不斷推動加速使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品種類趨于統(tǒng)一問題的探討，促進(jìn)步進(jìn)新技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用和推廣。 1.1.2研究意義 步進(jìn)電機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿幕静考?，它在多種機(jī)電設(shè)備中得到了廣泛地應(yīng)用，如工業(yè)生產(chǎn)中的各種機(jī)床、生產(chǎn)線上的傳送帶、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的灌溉機(jī)械、粉碎機(jī)等。如今，隨著控制技術(shù)的發(fā)展與完善，對步進(jìn)電機(jī)的控制方法也層出不窮，從早期純粹依賴電路設(shè)計控制，到如今的計算機(jī)、PLC等先進(jìn)控制方式的涌現(xiàn)，大大提供了步進(jìn)電機(jī)的控制精度和設(shè)計的簡單性、靈活性，因而也促進(jìn)了步進(jìn)電機(jī)在生產(chǎn)中獲得更加廣泛地應(yīng)用。 　　晶體生長控制系統(tǒng)是一種高精度的控制系統(tǒng)，其中對晶體生長過程中坩堝的升降、旋轉(zhuǎn)和耔晶桿的升降的控制尤為重要。同時，晶體生長控制系統(tǒng)具有控制速度范圍要求廣、低速段的速度要求低（一般低速與高速之比超過10000倍以上）等特點(diǎn)。因此，在設(shè)計這種控制系統(tǒng)時，就要充分利用硬件和軟件資源，來達(dá)到良好的控制功能。 1.2總體介紹 步進(jìn)電機(jī)是由磁性轉(zhuǎn)子鐵芯通過與由定子產(chǎn)生的脈沖電磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，直線步進(jìn)電機(jī)在電機(jī)內(nèi)部把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為線性運(yùn)動。直線步進(jìn)電機(jī)，或稱線性步進(jìn)電機(jī)，首先出現(xiàn)在美國1968年的第3，402，308號專利上，是頒發(fā)給William Henschke的，從此以后，直線步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于包括制造、精密校準(zhǔn)、精密流體測量、精確位置移動等諸多高精度要求領(lǐng)域。 直線步進(jìn)電機(jī)的基本原理是采用一根螺桿和螺母相嚙合，采取某種方法防止螺桿螺母相對轉(zhuǎn)動，從而使螺桿軸向移動。一般而言，目前有兩種實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化的方式，第一種是在電機(jī)內(nèi)置一個帶內(nèi)螺紋的轉(zhuǎn)子，以轉(zhuǎn)子的內(nèi)螺紋和螺桿相嚙合而實現(xiàn)線性運(yùn)動，第二種是以螺桿作為電機(jī)出軸，在電機(jī)外部通過一個外部驅(qū)動螺母和螺桿相嚙合從而實現(xiàn)直線運(yùn)動。這樣做的結(jié)果是大大簡化了設(shè)計，使得在許多應(yīng)用領(lǐng)域中能夠在不安裝外部機(jī)械聯(lián)動裝置的情況下直接使用直線步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精密的線性運(yùn)動。 圖1 一個典型的固定軸直線步進(jìn)電機(jī)示意圖 由與螺桿相比，驅(qū)動螺桿的螺母顯得更為重要，直線步進(jìn)電機(jī)采用的是青銅注塑內(nèi)螺紋轉(zhuǎn)子，這種綜合考慮了物理穩(wěn)定性和潤滑性能的專利產(chǎn)品，在具有低摩擦系數(shù)的同時又有相當(dāng)優(yōu)異的熱膨脹性能。兩方面的優(yōu)異性能，保證了直線步進(jìn)電機(jī)的高壽命。下圖是以青銅材料為參照的電機(jī)壽命曲線。 圖2 電機(jī)壽命曲線圖 1.3 設(shè)計要求 1.3.1工作環(huán)境要求 1、步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機(jī)工作效率高，噪音低。 2、步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。 3、由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機(jī)使用12V外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源， 不過要考慮溫升。 4、轉(zhuǎn)動慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號電機(jī)。 5、電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。 6、高精度時，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機(jī)，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外行話。 7、電機(jī)不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。 8、電機(jī)在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。 1.3.2直線步進(jìn)電機(jī)自身特點(diǎn) 1、可以用數(shù)字信號直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)簡單廉價。 2、位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應(yīng)，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)較為簡單又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可在要求更高精度的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3、無刷，電動機(jī)本體部件少，可靠性高。 4、易于起動，停止，正反轉(zhuǎn)及速度響應(yīng)性好。 5、停止時可有自鎖能力。 6、步距角可在大范圍內(nèi)選擇，在小步距情況下，通常可以在超低轉(zhuǎn)速下高轉(zhuǎn)距穩(wěn)定運(yùn)行，通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動負(fù)載。 圖3電機(jī)內(nèi)部簡圖 7、速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，同時用一臺控制器控制幾臺步進(jìn)電動機(jī)可使它們完全同步運(yùn)行。 8、步進(jìn)電動機(jī)帶慣性負(fù)載能力較差。 9 、由于存在失步和共振，步進(jìn)電機(jī)的加減速方法根據(jù)利用狀態(tài)的不同而復(fù)雜化。 10、需要專用的伺服控制器控制，不能直接使用普通的交直流電源驅(qū)動。 圖4電路控制圖 1.3.3直線步進(jìn)電機(jī)工作特點(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所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 1.3.4直線步進(jìn)電機(jī)技術(shù)概述 步進(jìn)電機(jī)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性運(yùn)動可用幾種機(jī)械方法完成，包括齒條和齒輪傳動及皮帶和皮帶輪傳動以及其他機(jī)械聯(lián)接機(jī)構(gòu)。所有這些設(shè)計都需要各種機(jī)械零件。完成這個轉(zhuǎn)變的最有效方法是在電機(jī)自身內(nèi)進(jìn)行。 基本的步進(jìn)電機(jī)是由有磁性的轉(zhuǎn)子鐵芯通過與由定子產(chǎn)生的脈動的定子電磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。直線電機(jī)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性運(yùn)動，完成這個轉(zhuǎn)變的精密性取決于轉(zhuǎn)子的步進(jìn)角度和所選方法。線性步進(jìn)電機(jī)，或者稱為直線步進(jìn)電機(jī)，首先出現(xiàn)在1968年的第3,402,308號專利上，是頒發(fā)給William Henschke的。從此以后，直線步進(jìn)電機(jī)在許多要求極高的領(lǐng)域有了用武之地。包括制造應(yīng)用、精密調(diào)準(zhǔn)和精密流體測量在內(nèi)的諸多高要求領(lǐng)使用螺紋的直線電機(jī)精密度，取決于它的螺距。在直線電機(jī)的轉(zhuǎn)子中心安裝一個螺母，相應(yīng)地一個螺桿與此螺母嚙合，為使螺桿軸向移動，必須用某種方法來防止螺桿與轉(zhuǎn)子組件一同轉(zhuǎn)動。由于螺桿轉(zhuǎn)動受到制約，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，螺桿實現(xiàn)了線性運(yùn)動。無論是在電機(jī)內(nèi)部用固定螺紋軸組件還是在外部的螺紋軸上使用不能旋轉(zhuǎn)但軸向可自由移動的螺母，都是實現(xiàn)轉(zhuǎn)動約束的典型方法。 為簡化設(shè)計，在電機(jī)內(nèi)部實現(xiàn)線性變換是有意義的。該方法極大地簡化了設(shè)計，使得在許多應(yīng)用領(lǐng)域中能夠在不安裝外部機(jī)械聯(lián)動裝置的情況下直接使用直線電機(jī)進(jìn)行精密的線性移動。 最初的直線電機(jī)采用了一個滾珠螺母和絲桿的結(jié)合體。滾珠絲桿提供了90%以上的效率，而根據(jù)螺紋條件，梯形螺紋提供的效率僅有20%～70%。 盡管滾珠絲桿對轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為線性運(yùn)動是一個高效的方法，但是滾珠螺母很難校準(zhǔn)，而且體積龐大，費(fèi)用昂貴。因此，在大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中，滾珠絲桿并非是一個實際的解決方法。 大多數(shù)設(shè)備設(shè)計人員對以直線電機(jī)為基礎(chǔ)的混合式步進(jìn)電機(jī)是熟悉的。該產(chǎn)品有多年的歷史了，與其它設(shè)備一樣它有其自己的長處和局限性。設(shè)計簡便、緊湊、無電刷（因此無火花）、驚人的機(jī)械優(yōu)點(diǎn)、設(shè)計的實用性以及可靠性是它與生俱來的優(yōu)點(diǎn)，然而在某些情況下，此直線電機(jī)不能用于某些設(shè)備，因為在沒有日常維護(hù)的條件下它是不能保證耐久的。 然而，有幾種方法克服了這樣的障礙，使直線電機(jī)具有高的耐久性且不用維護(hù)，由于步進(jìn)電機(jī)的無電刷設(shè)計，產(chǎn)生磨損的唯一部件是轉(zhuǎn)子軸承以及由導(dǎo)向螺桿/螺母組成的螺紋接合。滾珠軸承幾年來的改進(jìn)已經(jīng)提供了適合直線運(yùn)動的長壽命類型。最近導(dǎo)向螺桿和螺母組合的壽命和耐用性都有了改進(jìn)。 習(xí)慣上，直線電機(jī)使用由一軸承級金屬材料（如青銅）加工成的一個空心軸，該空心軸具有內(nèi)螺紋然后與螺紋導(dǎo)桿連接。該空心軸沿轉(zhuǎn)子軸線安裝。導(dǎo)桿材料通常為不銹鋼，它具有某種防腐蝕性能。大多數(shù)零件所用螺紋的型式是加工螺紋（如#10-32），此螺紋有單頭或多頭，這取決于電機(jī)所需的分辨率和速度。 圖5轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 加工螺紋一般選擇“V”形螺紋，這是由于其容易加工和軋制成形。雖然這對加工來說是一個合適的選擇，但對動力的傳輸卻不利。梯形螺紋更為合適，對此有幾個理由。 圖6螺紋結(jié)構(gòu) 梯形螺紋的設(shè)計更為有效。比較好的效果是其損耗小，包括摩擦，這就意味著磨損少和使用壽命長。查看一下螺紋的基本幾何形狀就很容易進(jìn)行解釋?！癡”形螺紋的相對面之間有一個60度角，而梯形僅有29度角。 假定摩擦、扭矩和螺紋角相同，“V”形螺紋能傳送的力約為梯形螺紋的85%。用方程式1和2可以求出效率，因為使用的螺紋是V形的，取決于負(fù)載方向。60度螺紋的效率除以29度螺紋效率就能計算出比率。 效率計算沒有考慮。在“V”形螺紋表面上的壓力要高的多的情況，此高壓力會進(jìn)一步增加的損耗。 梯形螺紋導(dǎo)桿一般是為傳送動力而制作的，所以應(yīng)該嚴(yán)格關(guān)注表面光潔度、螺距精度和公差。“V”形螺紋基本上用于緊固螺紋，所以其表面光潔度和直線性并不嚴(yán)格控制。 同樣，甚至更重要的是驅(qū)動螺桿的螺母，該螺母通常是嵌入電機(jī)轉(zhuǎn)子中的。通常螺母材料是軸承級的青銅在其自身進(jìn)行內(nèi)加工螺紋，它綜合考慮了物理穩(wěn)定性和潤滑性。當(dāng)然，說它是綜合考慮是因為它在兩方面都不是完美的。直線電機(jī)中驅(qū)動螺母的較好材料是自潤滑的熱塑性材料。這是因為用新的工程塑料能使螺桿螺母運(yùn)動摩擦系數(shù)降低。圖7是不同內(nèi)螺紋轉(zhuǎn)子材料的摩擦性能的比較。 圖7 青銅與工程塑料的摩擦性能 結(jié)果很明顯，但為何不用塑料的驅(qū)動螺母？對螺紋來說塑料是好的，但對于混合式電機(jī)中的轉(zhuǎn)子軸頸來說卻不夠穩(wěn)定。由于電機(jī)的溫度在運(yùn)行時可能升至167F，在這種情況下塑料的膨脹量可能達(dá)到0.004英寸，但黃銅在同樣熱條件下僅膨脹0.001。見圖8 圖8 熱膨脹比較 軸承軸頸在混合式電機(jī)設(shè)計中是嚴(yán)格要求的，為了達(dá)到最佳性能，混合式電機(jī)在設(shè)計時必須保持千分之幾英寸的轉(zhuǎn)子鐵芯外徑和定子內(nèi)徑之間的空隙。如果轉(zhuǎn)子裝配不同心則將與定子壁摩擦。通過材料的選擇，設(shè)計人員希望在螺紋壽命和軸承軸頸耐久性兩方面都具有優(yōu)勢。在金屬轉(zhuǎn)子組件內(nèi)注入模壓塑料螺紋，在兩方面都取得最佳效果。 該結(jié)構(gòu)極大地提高了運(yùn)行壽命、效率及安靜性。電機(jī)壽命比在其它電機(jī)中使用的常規(guī)青銅螺母結(jié)構(gòu)提高了10～100倍，且不需要維護(hù)保養(yǎng)，免維護(hù) 終生潤滑。 一種專門配制的高性能合成油脂給予了海頓電機(jī)以不需再加潤滑油的特殊的耐久性，潤滑劑具有特殊的溫度特性，范圍從-65℃（-85F）～250℃（482F）。該潤滑劑不易燃，具有化學(xué)惰性和低氣化壓力，對靈敏儀表的污染程度也很低。 圖9軸承 圖10 試驗表明HSI混合式直線電機(jī)的超長壽命 2 原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1直線步進(jìn)電機(jī)的原理 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。 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)、電子及計算機(jī)等許多專業(yè)知識。 目前,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)為例。敘述其基本工作原理。望能對廣大用戶在選型、使用、及整機(jī)改進(jìn)時有所幫助。 圖11 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖 　　開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相 繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。 　　當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。 　　四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。 　　單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖12.a、b、c所示： a. 單四拍b. 雙四拍c.八拍 圖12.步進(jìn)電機(jī)工作時序波形圖 2.1.1感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)工作原理 一、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理 由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。 1、結(jié)構(gòu)： 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A與齒5相對齊，（A就是A，齒5就是齒1） 圖13定轉(zhuǎn)子展開圖 2、旋轉(zhuǎn)： 如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如B相通電，A，C相不通電時，齒2應(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A， C，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機(jī)定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。 3、力矩： 電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量Ф）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力F與（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積 F與L*D*Br成正比L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=NI/R NI為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。 力矩=力*半徑 力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)*磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)）因此，電機(jī)有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。 2.2.2、感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī) 1、特點(diǎn)： 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī)。一個四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動），而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如：四相，八相運(yùn)行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C=,D=. 一個二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點(diǎn)的電機(jī)，為了方便使用，靈活改變電機(jī)的動態(tài)特點(diǎn)，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。 2、分類 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。以機(jī)座號（電機(jī)外徑）可分為：42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標(biāo)準(zhǔn)），而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。 3、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語 相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。 定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的） 靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。 4、步進(jìn)電機(jī)動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語： （1）、步距角精度： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時應(yīng)在15%以內(nèi)。 （2）、失步： 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。 （3）、失調(diào)角： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動是不能解決的。 （4）、最大空載起動頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 （5）、最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 （6）、運(yùn)行矩頻特性： 電機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。如下圖所示： 圖14電機(jī)輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。 電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。 圖15電機(jī)動態(tài)力矩與頻率關(guān)系曲線 其中，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。 要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機(jī)。 （7）、電機(jī)的共振點(diǎn)： 步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為 0.9度），電機(jī)驅(qū)動電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。 （8）、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制： 當(dāng)電機(jī)繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或()時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA-CA-BC-AB或()時為反轉(zhuǎn)。 2.2步進(jìn)電機(jī)的選用 2.2.1 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。 選擇步進(jìn)電機(jī)時，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時，首先要計算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。 選擇步進(jìn)電機(jī)時，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。 選擇功率步進(jìn)電機(jī)時，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動的需要。 選擇步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行以下計算： （1）計算齒輪的減速比 根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量，齒輪減速比i計算如下: i=(φ.S)/(360.Δ)(1-1)式中φ---步進(jìn)電機(jī)的步距角（/脈沖） S---絲桿螺距（mm) Δ---(mm/脈沖） （2）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機(jī)軸上的慣量Jt。 Jt=J1+（1/i)[(J2+Js）+W/g（S/2π)]（1-2） 式中Jt---折算至電機(jī)軸上的慣量(Kg.cm.s) J1、J2---齒輪慣量(Kg.cm.s) Js----絲桿慣量(Kg.cm.s)W---工作臺重量（N） S---絲桿螺距（cm） （3）計算電機(jī)輸出的總力矩M M=Ma+Mf+Mt（1-3） Ma=（Jm+Jt).n/T1.0210（1-4） 式中Ma---電機(jī)啟動加速力矩（N.m) Jm、Jt---電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量(Kg.cm.s) n---電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（r/min） T---電機(jī)升速時間（s） Mf=(u.W.s)/(2πηi)10（1-5） Mf---導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（N.m) u---摩擦系數(shù) η---傳遞效率 Mt=(Pt.s)/(2πηi)10（1-6） Mt---切削力折算至電機(jī)力矩（N.m) Pt---最大切削力（N） （4）負(fù)載起動頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)系，其估算公式為 fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）(1+Jt/Jm)]1/2（1-7） 式中fq---帶載起動頻率（Hz） fq0---空載起動頻率 Ml---起動頻率下由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩（N.m) 若負(fù)載參數(shù)無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進(jìn)行估算. （5）運(yùn)行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率時，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動負(fù)載，并留有足夠的余量。 （6）負(fù)載力矩和最大靜力矩Mmax。負(fù)載力矩可按式（1-5）和式（1-6）計算，電機(jī)在最大進(jìn)給速度時，由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應(yīng)小于（0.2～0.4)Mmax. 2.2.2、步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號便確定下來了。 1、步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度 （三相電機(jī)）等。 2、靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負(fù)載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來（幾何尺寸） 3、電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓） 圖16電機(jī)的選用步驟 4、力矩與功率換算 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： P= ΩM Ω=2πn/60 P=2πnM/60 其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓米 P=2πfM/400(半步工作） 其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS) 2.2.3、應(yīng)用中的注意點(diǎn) 1、步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機(jī)工作效率高，噪音低。 2、步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。 3、由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機(jī)使用12V外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源， 不過要考慮溫升。 4、轉(zhuǎn)動慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號電機(jī)。 5、電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。 6、高精度時，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機(jī)，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外行話。 7、電機(jī)不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。 8、電機(jī)在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。 9、應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動的原 2.3電機(jī)調(diào)速的功率控制原理 電機(jī)調(diào)速實質(zhì)探討，是關(guān)系到近代交流調(diào)速發(fā)展重要理論問題。隨著近代變頻調(diào)速矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制等調(diào)速控制理論提出和實踐，很多有關(guān)文獻(xiàn)和論著都把調(diào)速轉(zhuǎn)矩控制確認(rèn)為調(diào)速普遍規(guī)律，并提出調(diào)速實質(zhì)和關(guān)鍵電磁轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種觀點(diǎn)尚缺乏理論和實踐證明，值商榷。 本根據(jù)電機(jī)功率轉(zhuǎn)換普遍原理，提出并證明恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速實質(zhì)電機(jī)軸功率控制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是功率控制響應(yīng)，其關(guān)鍵為如何電功率控制軸功率。 轉(zhuǎn)矩控制僅適于恒功率調(diào)速，它電機(jī)調(diào)速局部，而調(diào)速普遍規(guī)律。變頻調(diào)速所依據(jù)是轉(zhuǎn)矩控制，實際執(zhí)行卻是功率控制，因此才沒有影響到應(yīng)用的正確性。 2.3.1、功率控制與轉(zhuǎn)矩控制 根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，凡電動機(jī)都可劃分為主磁極和電樞兩個功能部分。主磁極作用是建立主磁場，電樞則是與磁場相互作用將電磁功率轉(zhuǎn)換為軸功率。 直流電動機(jī)主磁極和電樞結(jié)構(gòu)鮮明，功能獨(dú)立，無疑符合以上定義。而交流（異步）電動機(jī)通常以定子、轉(zhuǎn)子劃分構(gòu)成，需加說明。 所述電樞定義，異步機(jī)軸功率產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子，，異步機(jī)真正電樞是轉(zhuǎn)子。問題定子，定子勵磁產(chǎn)生主磁場，故定子是主磁極。另，定子又電磁感應(yīng)為電樞（轉(zhuǎn)子）輸送電磁功率，卻不產(chǎn)生軸功率，定子又具有電樞部分特征，這里我們把它稱為偽電樞。定子這種復(fù)合功能，是異步機(jī)區(qū)別于直流機(jī)主要特征。 從電樞輸出角度觀察，電動機(jī)軸功率與電磁轉(zhuǎn)矩機(jī)械轉(zhuǎn)速關(guān)系為： ＰM＝ＭΩ(１) 或Ω＝ＰM／Ｍ（２） 公式（２）給出了電機(jī)轉(zhuǎn)速與軸功率和電磁轉(zhuǎn)矩間量值關(guān)系以外，同時表明，電機(jī)轉(zhuǎn)速最終只能軸功率或電磁轉(zhuǎn)矩兩種控制獲調(diào)節(jié)，前者簡稱功率控制，后者簡稱轉(zhuǎn)矩控制。 １.功率控制 　功率控制是以軸功率ＰM為調(diào)速主控量，作用對象必然是電樞或偽電樞。電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)速穩(wěn)態(tài)時，取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小。 即Ｍ＝Ｍfz(３) 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一經(jīng)為客觀工況所確定之后，電磁轉(zhuǎn)矩就唯一被決定了，電磁轉(zhuǎn)矩與調(diào)速控制無關(guān)，不能隨意改變其量值。 電磁轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速作用表現(xiàn)調(diào)速過渡過程，轉(zhuǎn)矩變化是轉(zhuǎn)速響應(yīng)滯后結(jié)果，此時，功率控制造成電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。 設(shè)電機(jī)調(diào)速前穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為Ω1，軸功率為ＰM1，調(diào)速后穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為Ω2，相應(yīng)軸功率變?yōu)椋蠱2。電磁轉(zhuǎn)矩： Ｍ＝ＰM／Ω(４） 　　故調(diào)速時，電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)椋? Ｍ＝ＰM2／Ω 　　受慣性作用，ｔ＝0調(diào)速瞬時Ω＝Ω1，故 Ｍ＝ＰM2／Ω1 t=0 此時電磁轉(zhuǎn)矩將與原來電磁轉(zhuǎn)矩Ｍ1＝ＰM1／Ω1不等，轉(zhuǎn)矩平衡被破壞并產(chǎn)生動態(tài)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速動態(tài)轉(zhuǎn)矩作用下開始由Ω1向Ω2過渡，其變化規(guī)律為： Ω1＝（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2（５） 電磁轉(zhuǎn)矩則為：Ｍ＝ＰM2／（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2 時間增大，動態(tài)轉(zhuǎn)矩減小，直至電磁轉(zhuǎn)矩與新負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，即： Ｍ＝ＰM2／Ω2＝Ｍfz， 　轉(zhuǎn)速穩(wěn)定Ω2不變，電機(jī)調(diào)速結(jié)束。上述調(diào)速過程可以由圖17的框圖說明 　 　圖17功率控制調(diào)速流程 　功率控制作用是電樞，主磁場或主磁通量保持不變，根據(jù)電機(jī)理論，電機(jī)的額定電磁轉(zhuǎn)矩正比于主磁通量，受限于電樞最大載流量。因此功率控制調(diào)速時，電機(jī)的額定電磁轉(zhuǎn)矩輸出能力不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 ２.轉(zhuǎn)矩控制 　公式（２），電機(jī)轉(zhuǎn)速在軸輸出功率不變前提下，與電磁轉(zhuǎn)矩成反比。由于受電磁轉(zhuǎn)矩以額定轉(zhuǎn)矩為上限約束，轉(zhuǎn)矩控制實際上只能在額定轉(zhuǎn)矩以下實現(xiàn)，因此屬于恒功率調(diào)速。 電磁轉(zhuǎn)矩獨(dú)立控制方法主要依據(jù)轉(zhuǎn)矩公式： 　?。停剑肕ΦmＩS（直流機(jī)）(６) 　　或Ｍ＝ＣMΦmＩ2COSφ2（交流機(jī)）(７) 受控的物理量為主磁通Φm，由于主磁通量Φm產(chǎn)生于主磁極，因此轉(zhuǎn)矩控制實際上是磁場控制，作用對象為主磁極。轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速同樣要保證穩(wěn)態(tài)時的轉(zhuǎn)矩平衡，即： 　　Ｍ＝Ｍfz 由于調(diào)速穩(wěn)態(tài)時，電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生了變化，因此要求負(fù)載轉(zhuǎn)矩適應(yīng)于電磁轉(zhuǎn)矩變化，即要求負(fù)載跟蹤電機(jī)。 　轉(zhuǎn)矩控制實際是弱磁調(diào)速，主要用于額定轉(zhuǎn)速以上的調(diào)速。鑒于本文重點(diǎn)討論的是功率控制，故不贅述。 2.3.2、功率控制的方法與性能 　電機(jī)調(diào)速的軸功率控制只能通過電功率間接控制來實現(xiàn)。以異步機(jī)為例，圖18是其等效三端口網(wǎng)絡(luò)。 圖18.異步機(jī)等效網(wǎng)絡(luò) 其中電樞（轉(zhuǎn)子）除產(chǎn)生軸功率輸出外，還產(chǎn)生以感應(yīng)電壓ｕ2和電流ｉ2為參量的電功率響應(yīng)。由于該功率與轉(zhuǎn)差率成正比，故稱轉(zhuǎn)差功率，其端口簡稱Ｐs口。 如果電機(jī)轉(zhuǎn)子為籠型，其繞組呈短路狀，Ｐs口為封閉不可控。反之為繞線型，Ｐs口則是開啟可控，轉(zhuǎn)子可以Ｐs口輸出或輸入電功率。由此可見，異步機(jī)的功率控制調(diào)速有兩種方式，一種是通過偽電樞間接對電樞實現(xiàn)軸功率控制；另一種是通過Ｐs口直接控制電樞軸功率。前者主要適用于籠型異步機(jī)，后者則適用于繞線型異步機(jī)。 　　１.定子偽電樞功率控制。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖19.異步機(jī)定子功率控制調(diào)速 作為偽電樞，定子向電樞（轉(zhuǎn)子）傳輸電磁功率： Ｐem＝Ｐ1－△Ｐ1（８） 電樞軸功率則為： ＰM＝Ｐem－△Ｐ2(９) 故ＰM＝Ｐ1－（△Ｐ1＋△Ｐ2）(10) 　可見，控制偽電樞輸入功率Ｐ1或增大其損耗△Ｐ1就可以控制電樞軸功率，后