步進電機的應用.doc

原理步進電機是將電脈沖信號轉(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，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。雖然步進電機已被廣泛應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(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。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。特點1、 過載性好其轉(zhuǎn)速不受負載大小的影響，不像普通電機，當負載加大時就會出現(xiàn)速度下降的情況，所以步進電機使用在對速度和位置都有嚴格要求的場合。2、 控制方便步進電機是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯，這樣就給計算機控制帶來了很大的方便，反過來，計算機的出現(xiàn)也為步進電機開辟了更為廣闊的使用市場。3、 整機結構簡單傳統(tǒng)的機械速度和位置控制結構比較復雜，調(diào)整困難，使用步進電機后，使得整機的結構變得簡單和緊湊。應用1、電子鐘表中的應用石英鐘表主要由石英諧振器、集成電路、步進電機(用于指針式)、液晶顯示屏（用于數(shù)字式）、手表電池或交流電源組成，此外還包括導電橡膠、微調(diào)電容、照明燈泡、蜂鳴器等元件。指針式石英手表中，為了把電信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹羔樀霓D(zhuǎn)動來指示時間，采用了作為換能器的微型步進電機以及齒輪傳動系統(tǒng)。石英鐘的石英振蕩器多數(shù)采用具有較好溫度頻率特性的4.19MHz的石英諧振器，也有采用32768Hz石英諧振器的；鐘內(nèi)經(jīng)常附加音樂報時等功能；步進電機具有較大的輸出力矩等。這些都是為了適應石英鐘鐘面較大、使用環(huán)境復雜等情況而設計的。在指針式石英鐘表內(nèi)，步進電機作為換能器，把秒脈沖信號變成機械輪系的轉(zhuǎn)動，帶動指針指示時間。步進電機的特點是低功耗、小體積、轉(zhuǎn)換效率高、結構簡單。常用鐘表步進電機有雙偏心式、單偏心式、雙凹坑式和單凹坑式等徑向充磁的單相永磁步進電機，另外還有軸向充磁的雙定子式步進電機。其中雙凹坑式的定子做成一體，結構簡單，耗電量小，應用較廣。石英鐘用步進電機比石英手表的體積稍大,耗電較多,有較大輸出力矩。步進電機的轉(zhuǎn)子磁鋼采用矯頑力大、剩磁密度大的合金材料如釤鈷合金等，定子常用坡莫合金，線圈多采用小線徑高強度漆包線。2、 工業(yè)機器手中的應用工業(yè)機械手是一種模仿人手動作，并按設定的程序、軌跡和要求代替人手抓取、搬運工件或操持工具進行操作的機電一體化自動化裝置。步進電機是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進電機的輸出位移量與輸入脈沖個數(shù)成正比，其速度與單位時間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)(即脈沖頻率)成正比，其轉(zhuǎn)向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關。所以只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組通電的相序，便可控制步進電機的輸出位移量、速度和方向。步進電機具有較好的控制性能，其啟動、停車、反轉(zhuǎn)及其它任何運行方式的改變都可在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，且可獲得較高的控制精度因而得到了廣泛的應用 ?？刂葡到y(tǒng)中PLC用來產(chǎn)生控制脈沖，通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構的進給量，同時通過編程控制脈沖頻率進而控制伺服機構的進給速度。環(huán)行脈沖分配器將可編程控制器輸出的控制脈 按步進電機的通電順序分配到相應的繞組。環(huán)行脈沖分配器可分為軟件環(huán)形分配器和硬件環(huán)形分配器。軟件環(huán)形分配器，即PLC利用軟件編程達到輪流輸出信號。對于功率步進電機要求幾十至上百伏特、幾安至十幾安的驅(qū)動能力，因此應該采用驅(qū)動器對輸出脈沖進行放大。用PLC控制三相步進電機的方法簡單易行可靠性高。由于采用了PLC控制步進電機技術，所以改變控制參數(shù)相當方便。只需改變PLC程序中相應部分即可。對任何相數(shù)的步進電機都可以使用，在設計方法上簡單易行，減少占用PLC的I0口，與PLC接口時比較方便，這樣在PLC控制步進電機的控制系統(tǒng)中不僅減少了控制系統(tǒng)設計的工作量、大大縮短開發(fā)研制周期和節(jié)約了開發(fā)費用，而且提高了控制系統(tǒng)的柔性和可靠性，具有較高的推廣和實用價值。3、 包裝機械中的應用步進電機控制齒輪泵也可以實現(xiàn)精確計量。齒輪泵在輸送粘稠體方面得到了廣泛的應用，例如糖漿、豆沙、白酒、油料、番茄醬等的輸送。齒輪泵計量是靠一對齒輪嚙合轉(zhuǎn)動計量的，物料通過齒與齒的空間被強制從進料口送到出料口。動力來自步進電機，步進電機轉(zhuǎn)動的位置及速度由可編程控制器控制，計量精度高于活塞泵的計量精度。步進電機適于在低速下運行，當速度加快時，步進電機的噪聲會明顯加大，其它經(jīng)濟指標會顯著下降。對于轉(zhuǎn)速比較高的齒輪泵來說，選用升速結構比較好。我們在粘稠體包裝機上開始采用的是步進電機直聯(lián)齒輪泵的結構，結果噪聲難以避免，可靠性下降。后來采用直齒輪升速的辦法，降低了步進電機的速度，噪聲得到了控制，可靠性也有所提高，計量度得到了保證。在制袋、充填、封口為一體的包裝機中，要求包裝用塑料薄膜定位定長供給，無論間歇供給還是連續(xù)供給，都可以用步進電機來可靠完成。采用步進電機與拉帶滾輪直接連接拉帶，不僅結構得到了簡化，而且調(diào)節(jié)極為方便，只要通過控制面板上的按鈕就可以實現(xiàn)，這樣既節(jié)省了調(diào)節(jié)時間，又節(jié)約了包裝材料。在間歇式包裝機中，包裝材料的供送控制可以采用兩種模式：袋長控制模式和色標控制模式。袋長控制模式適用于不帶色標的包裝膜，通過預先設定步進電機轉(zhuǎn)速的方法實現(xiàn)，轉(zhuǎn)空比的設定通過撥碼開關就可以實現(xiàn)。色標模式配備有光電開關，光電開關檢測色標的位置，當檢測到色標時，發(fā)出控制開關信號，步進電機接到信號后，停止轉(zhuǎn)動，延時一定時間后，再轉(zhuǎn)動供膜，周而復始，保證按照色標的位置定長供膜。橫封輪每轉(zhuǎn)一周的總時間與橫封所需要的時間都是恒定的，要滿足速度同步的要求，可以將步進電機一周內(nèi)的轉(zhuǎn)速分成兩部分，一部分首先滿足速度同步的要求，而另外空載的部分滿足一周總時間的要求。 為了實現(xiàn)良好的封口質(zhì)量，還可以通過步進電機對橫封輪實現(xiàn)非衡速的控制模式，就是在橫封的每一點上都實現(xiàn)速度同步。4、 礦井提升中的應用由于步進電機獨特的優(yōu)點步進電機是將電脈沖信號轉(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)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號。電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關系的存在加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。作為一種把數(shù)字電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的機電元件。步進電機具有控制簡單，功率大，維護容易，定位精度高，可靠性好，體積小，驕動系統(tǒng)多達32種選擇。并且價格低無累積位置誤差，可自鎖，控制成本低等特點而得到廣泛應用，再加上利用現(xiàn)在比較成熟的微機技術中單片機的應用控制?？梢暂p松實現(xiàn)自動控制，以上特點完全符合微拖的要求。并且可以實現(xiàn)礦井提升系統(tǒng)的自動控制，實現(xiàn)無人值守提升系統(tǒng)。礦井提升中步進電機的控制過程是這樣的首先提升機減速接近爬行階段，速度降至3ms左右時。由自動控制系統(tǒng)自動接通電磁閥。電磁閥桿在電磁力的作用下克服閥桿下端彈簧的彈力下移，使壓縮空氣由A腔進入B腔通過減速器的空心軸進入氣囊離合器。使微拖裝置與主機連接起來。當速度繼續(xù)降至爬行速度時。通過控制電路切斷主電動機動力制動電源，提升機改由步進電機拖動進行平穩(wěn)的低速爬行。提升容器到達終點進行卸載時，控制電路使電磁閥斷電，步進電機與主機脫離，完成一次爬行過程，接下來進行下一周期的工作。通過改進，大大提高卸載時事故的發(fā)生率，提高煤礦生產(chǎn)的安全，并且為煤礦后來進行自動化生產(chǎn)建立基礎。5、 汽車測試中的應用許多汽車制動元件的檢測，例如液壓制動系中制動主缸助力器總成的檢測，氣壓制動系中氣制動閥的檢測，在測試系統(tǒng)中需要用到電機推動滾珠絲杠來模擬在實際汽車制動時踩下制動踏板進行制動的過程，滾珠絲杠推動主缸或者制動閥使其達到汽車制動時所需要的各種工作狀態(tài)，以便來測試各種性能。而步進電機由于角位移與輸入脈沖嚴格成正比關系，在其運動過程中沒有累計誤差，跟隨性良好，因此選擇步進電機是汽車制動元件測試系統(tǒng)中性能較好的執(zhí)行元件。系統(tǒng)硬件組成有位移傳感器，力傳感器，步進電機；控制核心采用工控機和數(shù)據(jù)采集卡。步進電機通過聯(lián)軸器驅(qū)動滾珠絲杠組成加力裝置，力傳感器安裝在絲杠頂桿前端，用于測量步進電機輸出力矩“被測試件輸入力”的大小，數(shù)據(jù)經(jīng)由AD轉(zhuǎn)換送工控機處理，工控機控制步進電機的啟動、前進、后退、停止，并按測試程序控制前進和后退的速度，同時由位移傳感器測量出步進電機的位移量，并將力和位移的相應數(shù)據(jù)通過顯示器表示出來，根據(jù)相關行業(yè)標準來判斷氣制動閥的合格與否。一般采用軟件延時的方法來對步進電機的運行速度、步數(shù)及方向進行控制，根據(jù)計算機所發(fā)出脈沖的頻率和數(shù)量所需的時間來設計一個子程序，該子程序包含一定的指令，設計者通常要對這些指令的執(zhí)行時間進行嚴密的計算或者精確的測試，以便確定延時時間是否符合要求，每當子程序結束后，可以執(zhí)行下面的操作。采用軟件延時方式時，CPU一直被占用，CPU利用率低，這在許多場合是非常不利的。因此需要重新設計對步進電機的控制程序，采用PCL-812PG數(shù)據(jù)采集卡，利用812PG卡中自帶可編程計數(shù)定時器8254及其他邏輯電路器件設計一種步進電機控制方式，僅需要幾條簡單的指令就可以產(chǎn)生具有一定頻率和數(shù)目的脈沖信號?？删幊痰挠布〞r器直接對系統(tǒng)時鐘脈沖或某一固定頻率的時鐘脈沖進行計數(shù)，計數(shù)值則由編程決定當計數(shù)到預定的脈沖數(shù)時，給出定時時間到的信號，得到所需的延時時間或定時間隔，由于計數(shù)的初始值由編程決定，因而在不改動硬件的情況下，只通過程序的變化即可滿足不同的定時和計數(shù)要求，因此使用很方便。前景步進電動機的發(fā)展已歸結為單段式結構的磁阻式、混合式和爪極結構的永磁式三類。爪極電機價格便宜，性能指標不高，混合式和磁阻式主要作為高分辨率電動機，由于混合式步進電動機具有控制功率小，運行平穩(wěn)性較好而逐步處于主導地位。最典型的產(chǎn)品是二相8極50齒的電動機，步距角1.8/0.9（全步/半步）；還有五相10極50齒和一些轉(zhuǎn)子100齒的二相和五相步進電動機。發(fā)展趨勢之一，是繼續(xù)沿著小型化的方向發(fā)展。發(fā)展趨勢之二，是改圓形電動機為方形電動機。發(fā)展趨勢之三，對電動機進行綜合設計。發(fā)展趨勢之四，向五相和三相電動機方向發(fā)展。心得通過步進電機的應用，讓我徐學到了很多知識。通過這次作業(yè)，使我對步進電機有了更進一步的了解。步進電機在現(xiàn)在工業(yè)中有著重要的作用，當然，我們現(xiàn)在對步進電機只不過是一個初步的了解，還有更多的知識等著我們?nèi)W習，在這短暫的學習和查找中，我學會了步進電機的一些基本的理論和應用。通過對步進電機的學習，使我對綜合運用步進電機及其他相關的知識有了進一步了解，學會了用所學理論知識指導實際應用，培養(yǎng)了