步進電機控制原理及應用《畢業(yè)論文》

1、<p>　　上海醫(yī)療器械高等?？茖W校</p><p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　步進電機控制原理及應用 </p><p>　　姓 名：白天輝 </p><p>　　系 部：醫(yī)學電子與信息工程 </p><p>　　專

2、 業(yè)：醫(yī)學檢驗儀器管理與維護</p><p>　　班 級：2010檢驗班 </p><p>　　指導教師：何培忠 </p><p>　　完成日期 2013年6月1日</p><p>　　步進電機控制原理及應用</p><p><b>　　摘

3、要</b></p><p>　　文章從步進電機的發(fā)展史到步進電機的特點，再從步進電機的原理到步進電機的應用講解和論述步進電機。本文主要介紹了步進電機的工作原理、步進電機的分類和步進電機的控制原理及應用。步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器 ?！　?lt

4、;/p><p>　　關鍵字：步距角, 相數, 定位轉矩, 混合式 </p><p>　　The principle and application of stepping motor control</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　From the development

5、 history of stepper motor to the characteristics of the stepper motor, again from the principle of stepping motor to the application of stepping motor and stepper motor is discussed. This paper mainly introduces the work

6、ing principle of stepper motor, the classification of the stepper motor and stepper motor control principle and application. Stepper motor is a kind of induction motor, its working principle is the use of electronic circ

7、uit, direct current (dc) into time-shari</p><p>　　Key Words： Step angle, Phase number, Positioning torque , Hybrid stepping</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　

8、摘 要2</b></p><p>　　ABSTRACT3</p><p><b>　　目 錄4</b></p><p>　　第1章 緒 論5</p><p>　　第2章 步進電機的概況6</p><p>　　2.1 步進電機發(fā)展史7</p><p&

9、gt;　　2.2 步進電機的特點8</p><p>　　第3章 步進電機的分類10</p><p>　　3.1 永磁式步進電機10</p><p>　　3.2 反應式步進電機11</p><p>　　3.3 混合式步進電機12</p><p>　　第4章 步進電機的原理14</p><p

10、>　　4.1 步進電機的結構14</p><p>　　4.2 步進電機的工作原理16</p><p>　　4.3 步進電機的主要特性18</p><p>　　4.4 步進電機定子相數的分類、結構、原理18</p><p>　　4.5 步進電機的驅動及控制19</p><p>　　4.6 步進電機控制原理

11、22</p><p>　　第5章 步進電機的應用23</p><p>　　5.1 步進電機在醫(yī)用儀器中的應用23</p><p>　　5.2 步進電機在物料計量方面的應用24</p><p>　　5.3 步進電機在供送包裝膜中的應用25</p><p>　　5.4步進電機在橫封中的應用25</p>

12、;<p><b>　　第6章 結論26</b></p><p><b>　　謝 辭27</b></p><p><b>　　參考文獻28</b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　步進電機的使

13、用至少需要三個方面的配合，一是電脈沖信號發(fā)生器，它按照給定的設置重復為步進電機輸送電脈沖信號，目前這種信號大多數由可編程控制器或單片機來完成；二是驅動器（信號放大器），它除了對電脈沖信號進行放大、驅動步進電機轉動以外，還可以通過它改善步進電機的使用性能，事實上它在步進電機系統(tǒng)中起著重要的作用，一般一種步進電機可以根據不同的工況具有多種驅動器；三是步進電機，它有多種控制原理和型號，現在常用的有反應式、感應子式、混合式等。</p>

14、;<p>　　步進電機是一種專門用于位置和速度精確控制的特種電機。步進電機的最大特點是其“數字性”，對于控制器發(fā)過來的每一個脈沖信號，步進電機在其驅動器的推動下運轉一個固定角度(簡稱一步)。如接收到一串脈沖步進電機將連續(xù)運轉一段相應距離。同時可通過控制脈沖頻率，直接對電機轉速進行控制。由于步進電機工作原理易學易用，成本低(相對于伺服)、電機和驅動器不易損壞，非常適合于微電腦和單片機控制，因此近年來在各行各業(yè)的控制設備中獲得

15、了越來越廣泛的應用。</p><p>　　步進電機(stepping motor)作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。</p><p>　　第2章 步進電機的概況</p><p>　　步進電機是一種將電脈沖信號變換成角位移或直線位移的常用電氣

16、執(zhí)行元件，具有步進數可控、運行平穩(wěn)、價格便宜等優(yōu)點。步進電機轉子的位移與脈沖數成正比，因而其轉速與脈沖頻率成正比，而不受電源電壓、負載大小及環(huán)境條件等影響。每一個脈沖信號可使步進電機旋轉一個固定的角度前進一步，這個角度即為步距角。脈沖的數量決定了旋轉的總角度，脈沖的頻率決定了旋轉的速度，方向信號決定了旋轉的方向。</p><p>　　在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負

17、載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號， 電機則轉過一個步距角。 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。 單相步進電機有單路電脈沖驅動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅動。多相步進電機有多相方波脈沖驅動，用途很廣。使用多相步進 電機時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉換為多相脈沖信號，在經功率放大后分別送入步進電機各項繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分

18、配器，電機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉子會轉過一定的角度（稱為步距角）。正常情況下，步進 電機轉過的總角度和輸入的脈沖數成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電機的轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。在非超載的情況下， 電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。</p><p>　　給定一個電脈沖信號，步

19、進電機轉子就轉過相應的角度，這個角度就稱作該步進電機的步距角。目前常用步進電機的步距角大多為1.8度（俗稱一步）或0.9度（俗稱半步）。以步距角為0.9度的進步電機來說，當我們給步進電機一個電脈沖信號，步進電機就轉過0.9度；給兩個脈沖信號，步進電機就轉過1.8度。以此類推，連續(xù)給定脈沖信號，步進電機就可以連續(xù)運轉。由于電脈沖信號與步進電機轉角存在的這種線性關系，使得步進電機在速度控制、位置控制等方面得到了廣泛的應用。 <

20、/p><p>　　步進電機的使用至少需要三個方面的配合，一是電脈沖信號發(fā)生器，它按照給定的設置重復為步進電機輸送電脈沖信號，目前這種信號大多數由可編程控制器或單片機來完成；二是驅動器（信號放大器），它除了對電脈沖信號進行放大、驅動步進電機轉動以外，還可以通過它改善步進電機的使用性能，事實上它在步進電機系統(tǒng)中起著重要的作用，一般一種步進電機可以根據不同的工況具有多種驅動器；三是步進電機，它有多種控制原理和型號，現在常用

21、的有反應式、感應子式、混合式等。 </p><p>　　步進電機的速度控制是通過輸入的脈沖頻率快慢實現的。當發(fā)生脈沖的頻率減小時，步進電機的速度就下降；當頻率增加時，速度就加快。還可以通過頻率的改變而提高步進電機的速度或位置精度。 </p><p>　　步進電機的位置控制是靠給定的脈沖數量控制的。給定一個脈沖，轉過一個步距角，當停止的位置確定以后，也就決定了步進電機需要給定

22、的脈沖數。在包裝機控制中，給定脈沖數的多少，還與機構的參數有關，例如螺桿的直徑等。</p><p>　　圖2.1 步進電機內部圖</p><p>　　圖2.2 步進電機的結構示意圖</p><p>　　2.1 步進電機發(fā)展史</p><p>　　電機為工業(yè)發(fā)展不可缺少的一大要素，并扮演著重要的角色。電機的應用不僅在動力應用反面不斷擴

23、大，而且在控制領域的使用范圍也在不斷擴大。隨著控制電機重要性的增加，控制電機的使用量也逐年增加。步進電機是一種控制電機，不使用反饋回路，就能進行速度控制及定位控制，即所謂的電機開環(huán)控制，不使用反饋回路，其應用主要以處理辦公業(yè)務能力很強的OA(Office Automation,辦公自動化)機器和FA(Factory Automation工廠自動化)機器為核心，并廣泛的應用于醫(yī)療器械、計量儀器、汽車、游戲機等。就數量來講，OA機器方面的應

24、用約占步進電機使用總數的75%。</p><p><b>　　圖2.3 電機</b></p><p>　　雖然步進電機最近被大量應用，但其原理早已有之。步進電機與電磁鐵和柱塞泵同一時期開發(fā)，法國人佛羅曼提出了將電磁鐵的吸引力轉化為旋轉力矩的方法。當時，激磁相的切換用機械凸輪的接觸點來完成，這就是步進電機的原型?，F在還有旋轉線圈式的應用方法。1920年步進電機的實際

25、應用才開始，稱為VR（Variable Relutance 變磁阻）式步進電機，被英國海軍用作定位控制和遠程遙控?；旌鲜紿B(Hybrid 的縮寫，是VR與PM復合的意思)型步進電機的產生，大約在1952年，由美國GE公司的Karl Feiertag 開發(fā)的發(fā)電機演變而來。與現在的兩相HB型步進電機結構相同，取得了US專利。當初作為低速同步電機使用，其后，由美國的Superior Electric 公司和Sigma Instrument

26、s公司開發(fā)出兩相1.8°步距角的HB型步進電機。當時因為電流小、電感大、恒電驅動的關系，換相脈沖只有300pps（現在為10～20kpps）。另一方面，從驅動電路方面看，步進電機的發(fā)展與晶體管半導體元件的發(fā)展密不可分。1950年研制出二極管半導體，1964年開發(fā)出MOS半導體，1965年出現IC，1</p><p>　　2.2 步進電機的特點</p><p>　　可通過控制脈沖

27、數來控制步進電機轉動的角位移，達到精確定位的目的；同時也可以通過控制脈沖的頻率來控制步進電機轉動速度和加速度，達到調速的目的。 </p><p><b>　　優(yōu)點：</b></p><p>　?。?）無刷：是無刷結構電機，與傳統(tǒng)有刷電機相比而言可靠性更高；</p><p>　?。?）與負載無關：不超載時步進電機能夠按照設定的速度運行；<

28、/p><p>　?。?）動態(tài)響應快：易于啟動、停止和反轉；</p><p>　?。?）保持轉矩： 停止時能夠自鎖；</p><p>　　（5）無累積誤差：雖然步進電機每轉動一步的角位移與標稱的步距角具有一定的誤差（3~5%），但是轉動一周后累積的誤差和為零。</p><p>　?。?）步距角與環(huán)境無關：固有步距角是由本身構造決定的，與溫度、電壓

29、、電流等使用環(huán)境無關。</p><p>　　（7）易于控制：只需控制脈沖的頻率和個數，即可達到定位、調速目的。</p><p><b>　?。?）價格低廉</b></p><p><b>　　不足之處：</b></p><p>　?。?）低速轉動時振動和噪聲都比較大；</p><

30、p>　　（2）輸出力矩隨著轉動速度的升高而降低；</p><p>　　（3）啟動頻率不能太高，否則會堵轉并伴隨有呼嘯聲；</p><p>　　（4）速度突變較大時存在丟步和過沖現象；</p><p>　　（5）最高運動速度較低，且高速運轉時輸出力矩小。</p><p>　　（6）開環(huán)控制，不能保證實際轉動的角度與設想的完全一致。<

31、/p><p>　　第3章 步進電機的分類</p><p>　　現在步進電機的分類方式有很多，下表是其中的一種分類方式：</p><p>　　表3.1 步進電機的分類</p><p>　　步進電機在構造上主要分三種：永磁式（PM），反應式（VR）和混合式（HB）。永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應式步進一般

32、為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。</p><p>　　現在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。</p><

33、;p>　　3.1 永磁式步進電機</p><p>　　永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；永磁式步進電動機輸出力矩大，動態(tài)性能好，但步距角大。</p><p>　　永磁式步進電機的原理構造如圖3.1所示，轉子是永久磁鐵所構成，更進一步的往這個周圍配置了復數個的固定子。</p><p>　　在圖3.1上，轉子磁鐵為N、S

34、一對，而它的固定子線圈由4個構成，這些因為和步進</p><p>　　角有直接關系，所以如需要較微細的步進角時，轉子磁鐵的極數和發(fā)生驅動力的固定子線圈的數不能不對應的增加，還有在圖3.1的構造步進角為90°。</p><p>　　圖3.1 永磁式步進電機的原理圖(2相單極)</p><p>　　而且，PM型的特征是因為在轉子是永久磁鐵構成的，所以就算在無激

35、磁(固定子的任何線圈不通電時)也需在一定程度上保持了轉矩的發(fā)生，因而，依照利用這種的性質效果，可以構成省能積形的系統(tǒng)。</p><p>　　這種的步進電機，它的步進角種類很多，釤鈷系磁鐵的轉子是用在45°或者90°上，而且這些也可以用氟萊鐵(ferrite)磁鐵作為多極的充磁，有3.75°、11.25°、15°、18°、22.5°等豐富的種類，

36、但是從這些數字上看7.5°(轉48步進)是最為普及化的。</p><p>　　3.2 反應式步進電機</p><p>　　反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。</p><p>　　反應式步進電動機結構簡單，生產成本低

37、，步距角小；但動態(tài)性能差。</p><p>　　反應式步進電機的構造，如圖3.2所示，轉子是利用轉子的突極吸引所發(fā)生的轉力，因而反應式在無激磁的時候，并不發(fā)生保持轉矩。</p><p>　　主要的用途適用在比較大的轉矩上的工作機械，或者特殊使用的小型起動機的上卷機械</p><p>　　圖3.2 反應式步進電機的原理圖(2相單極)</p><p&

38、gt;　　上。其它也有用在出力為1W以下的超小型電機上，總之，VR型的數量是非常少的，在步進 電機的全部生產量上只有數%程度而已。</p><p>　　還有，步進角的種類有15°、7.5°、也有1.8°，但是在數量上以1.5°步進為最普及化。</p><p>　　3.3 混合式步進電機</p><p>　　混合式步進電動

39、機綜合了反應式、永磁式步進電動機兩者的優(yōu)點，它的步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是目前性能最高的步進電動機。它有時也稱作永磁感應子式步進電動機。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。</p><p>　　混合型步進電機，是由固定子磁(齒)極以及和它對向的轉子磁極所構成的，更近一步的它的轉子有這多數的齒車狀，在這些上是由轉軸和在同方向被磁化的永久磁鐵所

40、組合而成，還有在構造上比前面的PM型以及VR型更復雜，基本上是可以考慮由PM型和VR型一體化的構造。</p><p>　　hybrid type型有混合型的意思存在，這個剛好是VR型和PM型兩者組合的情況，所以就有如此的稱呼。</p><p>　　一般上混合型，因具有高精度、高轉矩、微小步進角和數個優(yōu)異的特征，所以剛開始在OA關系，其它的分類上也大幅的被使用，特別是在生產量上大半是使用在盤

41、片記憶關系的磁頭轉送上。</p><p>　　還有，在步進角上有0.9°、1.8°，其它的3.6°也有，比起其它的電機而言，具有極細的步進角。</p><p>　　圖3.3 混合式步進電機的構造圖（2相單極）</p><p>　　第4章 步進電機的原理</p><p>　　4.1 步進電機的結構</

42、p><p>　　目前，我國使用的步進電機多為反應式步進電機。在反應式步進電機中，有軸向分相和徑向分相兩種，如表4.1,4.2所述。</p><p>　　圖4.1是一典型的單定子、徑向分相、反應式伺服步進電機的結構原理圖。它與普通電機一樣，分為定子和轉子兩部分，其中定子又分為定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成，其形狀如圖中所示。定子繞組是繞置在定子鐵心6個均勻分布的齒上的線圈，在直徑

43、方向上相對的兩個齒上的線圈串聯(lián)在一起，構成一相控制繞組。圖4.1所示的步進電機可構成三相控制繞組，故也稱三相步進電機。若任一相繞組通電，便形成一組定子磁極，其方向即圖中所示的NS極。在定子的每個磁極上，即定子鐵心上的每個齒上又開了5個小齒，齒槽等寬，齒間夾角為9°，轉子上沒有繞組，只有均勻分布的40個小齒，齒槽也是等寬的，齒間夾角也是9°，與磁極上的小齒一致。此外，三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開1/3齒距，

44、如圖4.2所示。當A相磁極上的小齒與轉子上的小齒對齊時，B相磁極上的齒剛好超前(或滯后)轉子齒1/3齒距角，C相磁極齒超前(或滯后)轉子齒2/3齒距角。</p><p>　　圖4.1 單定子徑向分相反應式伺服步進電機結構原理圖</p><p>　　圖4.2 步進電機的齒距</p><p>　　圖4.3是一個五定子、軸向分相、反應式伺服步進電機的結構原理圖。從圖中可

45、以看出，步進電機的定子和轉子在軸向分為五段，每一段都形成獨立的一相定子鐵心、定子繞組和轉子，圖4.4所示的是其中的一段。各段定子鐵心形如內齒輪，由硅鋼片疊成。轉子形如外齒輪，也由硅鋼片制成。各段定子上的齒在圓周方向均勻分布，彼此之間錯開1/5齒距，其轉子齒彼此不錯位。當設置在定子鐵心環(huán)形槽內的定子繞組通電時，形成一相環(huán)形繞組，構成圖中所示的磁力線。</p><p>　　圖4.3 五定子徑向分相反應式伺服步進電機

46、結構原理圖</p><p>　　除上面介紹的兩種形式的反應式步進電機之外，常見的步進電機還有永磁式步進電機和永磁反應式步進電機，它們的結構雖不相同，但工作原理相同。</p><p>　　圖4.4 一段定子、轉子及磁回路</p><p>　　4.2 步進電機的工作原理</p><p>　　步進電機的工作原理實際上是電磁鐵的作用原理。圖4.3

47、是一種最簡單的反應式步進電機，下面以它為例來說明步進電機的工作原理。</p><p>　　圖4.5(a)中，當A相繞組通以直流電流時，根據電磁學原理，便會在AA方向上產生一磁場，在磁場電磁力的作用下，吸引轉子，使轉子的齒與定子AA磁極上的齒對齊。若A相斷電，B相通電，這時新的磁場其電磁力又吸引轉子的兩極與BB磁極齒對齊，轉子沿順時針轉過60°。通常，步進電機繞組的通斷電狀態(tài)每改變一次，其轉子轉過的角度α

48、稱為步距角。因此，圖4.5(a)所示步進電機的步距角α等于60°。如果控制線路不停地按A→B→C→A…的順序控制步進電機繞組的通斷電，步進電機的轉子便不停地順時針轉動。若通電順序改為A→C→B→A…，同理，步進電機的轉子將逆時針不停地轉動。 </p><p>　　上面所述的這種通電方式稱為三相三拍。還有一種三相六拍的通電方式，它的通電順序是：順時針為A → AB → B → BC → C → CA →

49、A；逆時針為A → AC → C→ CB → B → BA →A。</p><p>　　若以三相六拍通電方式工作，當A相通電轉為A和B同時通電時，轉子的磁極將同時受到A相繞組產生的磁場和B相繞組產生的磁場的共同吸引，轉子的磁極只好停在A和B兩相磁極之間，這時它的步距角α等于30°。當由A和B兩相同時通電轉為B相通電時，轉子磁極再沿順時針旋轉30°，與B相磁極對齊。其余依此類推。采用三相六拍通電

50、方式，可使步距角α縮小一半。</p><p>　　圖4.5步進電機工作原理圖</p><p>　　圖4.5(b)中的步進電機，定子仍是A，B，C三相，每相兩極，</p><p>　　但轉子不是兩個磁極而是四個。當A相通電時，是1和3極與A相的兩極對齊，很明</p><p>　　顯，當A相斷電、B相通電時，2和4極將與B相兩極對齊。這樣，在三相

51、三拍的通電方式中，步距角α等于30°，在三相六拍通電方式中，步距角α則為15°。</p><p>　　綜上所述，可以得到如下結論：</p><p>　　(1)步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉子便轉過一個確定的角度，即步進電機的步距角α；</p><p>　　(2)改變步進電機定子繞組的通電順序，轉子的旋轉方向隨之改變；</p&g

52、t;<p>　　(3)步進電機定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉子旋轉的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉子的轉速越高；</p><p>　　(4)步進電機步距角α與定子繞組的相數m、轉子的齒數z、通電方式k有關，可用下式表示：</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　式中m相m拍時，k=1；m相2m

53、拍時，k=2；依此類推。</p><p>　　對于圖4.3所示的單定子、徑向分相、反應式伺服步進電機，當它以三相三拍通電方式工作時，其步距角為</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　若按三相六拍通電方式工作，則步距角為</p><p><b>　　(3)</b></p

54、><p>　　4.3 步進電機的主要特性</p><p>　　(1)步距角：步進電機的步距角是反映步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉子轉過的角度。它是決定步進伺服系統(tǒng)脈沖當量的重要參數。數控機床中常見的反應式步進電機的步距角一般為 。步距角越小，數控機床的控制精度越高。</p><p>　　(2)矩角特性、最大靜態(tài)轉矩Mjmax和啟動轉矩Mq。矩角特性是步進電機

55、的一個重要特性，它是指步進電機產生的靜態(tài)轉矩與失調角的變化規(guī)律。</p><p>　　(3)啟動頻率fq：空載時，步進電機由靜止突然啟動，并進入不丟步的正常運行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率。若啟動時頻率大于突跳頻率，步進電機就不能正常啟動?？蛰d啟動時，步進電機定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。</p><p>　　4.4 步進電機定子相數的分類、結構、原理<

56、/p><p>　　現以兩相與三相步進電機為例詳細說明步進電機的相數與特性的關系。相數與特性綜合概述為：</p><p>　　1)高分辨率根據式(2．1)，步距角為180／PNr。故相數P越大，角分辨率越高。</p><p>　　提高分辨率，可以提高定位控制精度，改善低速失步，使多相控制成為可能，并且可以改善阻尼(改善制動性能，減小停止時的超調量和制動時間)。詳細說明在驅

57、動技術部分。</p><p>　　圖4.6 相數、靜態(tài)轉矩、轉矩波動的關系</p><p>　　2)低振動圖4.5表示的是兩相和三相步進電機的轉矩波動，相數愈多，換相的兩相繞組動態(tài)轉矩曲線的交點轉矩值Tg與最大靜態(tài)轉矩Th的相對誤差愈小。TR為電機所帶負載轉矩的下限值，(Th-Tg)／Th為轉矩波動的相對誤差，相數越多，此值越小，對降低振動越有利。亦即，相數越多，電機產生的轉矩波動幅值越

58、小，頻率越高．產生的振動越小。</p><p>　　3)高轉速多相步進電機的優(yōu)點是能高速響應。步進電機為同步電機，繞組電流頻率與轉子速度成正比例，若電機高速運轉，則繞組電流角頻率ω增加，使繞組電感L產生的電抗ωL加大，從而降低電流，致使轉矩下降。</p><p>　　當用數千pps驅動步進電機時，電機繞組阻抗Z與直流電阻相比。電抗ωL將大幅增加。當電機高速運轉時，如電壓V一定，則電機相電流

59、為V／ωL。機械角速度ωm為ω=Nrωm，則對相同機械角速度ωm的電機，電流與Nr成反比。</p><p>　　根據式(2．1)，兩相Nr=50時，步距角為1.8；五相Nr=20時．步距角為1．8。當這兩種步進電機以相同的轉速高速旋轉時，五相繞組的電流是兩相的2.5倍，因為電流小則轉矩小。所以五相的轉矩比兩相的要大。</p><p>　　4.5 步進電機的驅動及控制</p>

60、<p><b>　　1.步進電機的驅動</b></p><p>　　步進電機驅動的組成包括變頻信號源、脈沖分配器、功率放大器等部分：</p><p>　　(1)脈沖信號：一般由時鐘信號或單片機等產生，一般要求脈沖的信號可變，以控制電機轉速的變化。</p><p>　　(2)控制信號：根據不同的電機和實際需要，采用適當的控制方式。&l

61、t;/p><p>　　(3)驅動：功率放大是驅動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉速下的轉矩，取決于它的動態(tài)平均電流的非靜態(tài)電流。平均電流越大電機力矩越大。要達到平均電流大就需要驅動系統(tǒng)盡量克服電機的反電動勢。因而不同的場合采取不同的驅動方式。由于發(fā)出的電流都很小，要加一個功率放大電路再接到電擊上，才能驅動電機轉起來。</p><p><b>　　2.電機驅動的組成</b&g

62、t;</p><p>　　步進電機的驅動電路由變頻信號源、脈沖分配器以及功率放大器等組成，如圖所示：</p><p><b>　　3.步進電機的控制</b></p><p>　　(1)PLC對步進電機的控制</p><p><b>　　脈沖</b></p><p>　　圖4.

63、7 外部連接圖</p><p>　　圖4.8 控制系統(tǒng)的組成</p><p>　　圖4.9 PLC控制步進電機的原理</p><p>　　單片機對步進電機的控制系統(tǒng)主要有步進控制器、功率放大器及步進電動機組成。步進電動機控制器是由緩沖寄存器、環(huán)型分配器、控制邏輯及正反轉控制門等組成。它的作用就是能把輸入的脈沖轉換成環(huán)型脈沖，以便控制步進電機，并能進行向控制。功

64、率放大器的作用就是把控制器輸出的環(huán)型脈沖加以放大，以驅動步進電動機轉動。在這種控制方式中，由于步進控制器線路復雜，成本高，因而限制它的應用。但是，如果采用PLC控制系統(tǒng)，有軟件代替步進控制器，則問題大大簡化。</p><p>　　(2)單片機對步進電機的控制</p><p>　　單片機的P1口控制步進電機的運行，只要在一定的時間控制P1.0，P1.1，P1.2的輸出情況就可以實現對步進電機

65、的運行控制。</p><p>　　圖4.10 波形圖</p><p>　　驅動電路使用功率三極管作為驅動元件，如下圖。P1.0，P1.1，P1.2三根線按上面的波形圖一次導通，它們經過反相器74LS06提升到+12V，直接接通功率晶體管的基極。功率晶體管的集電極E1，E2，E3分別經過6Ω限流電阻接到步進電機的A、B、C三個繞阻上，功率晶體管在時序脈沖的驅動下導通或截至。是步進電機的三個

66、繞阻分別加電或斷電，完成旋轉。D1-D6對功率晶體管起保護作用。如圖4.10所示：</p><p>　　4.11 步進電機的驅動電路</p><p>　　4.6 步進電機控制原理</p><p>　　步進電機的工作方式與電動機的結構和種類密切相關，從結構上看，步進電機分為三相、四相、五相等類型，常用的是三相步進電機。三相步進電機的工作方式有三相單三拍、三相雙三拍

67、和三相六拍3種。系統(tǒng)采用三相六拍工作方式，在=三相六拍工作方式中，控制電流切換6次，磁場旋轉1周，轉子移動1個齒距，各相的通電順序為：A—AB．B-BC．C．CA—A。六拍工作方式時的電壓及電流波形如圖1所示。其中細線表示磁極繞組中的電流波形，可見磁極的驅動電壓是方波，而電流不是方波，這主要是由于步進電機的每相繞組存在一定的充電和放電時間。</p><p>　　圖4.12 三相感應式步進電機六拍工作方式時的電壓及

68、電流波形</p><p>　　常用的步進電機分為反應式步進電機、永磁式步進電機、混合式步進電機和單相式步進電機等類型，不同的步進電機在控制方式上基本一樣。在實際應用中，反應式步進電機較常用。步進電機直接由數字信號控制，其基本控制包括轉向控制和速度控制。</p><p>　　步進電機換向,一定要在電機降速停止或降到突跳頻率范圍之內時，以免產生較大的沖擊而損壞電機。換向信號一定要在前一個方向的

69、最后一個脈沖結束后以及下一個方向的第1個脈沖前發(fā)出。在某一高速下的正、反向切換實質包含了降速一換向一加速3個過程。</p><p>　　調整送給步進電機的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。用PLC實現步進電機的加減速控制，實際上就是控制發(fā)送脈沖的頻率。加速時，使脈沖頻率增高,減速時降低。</p><p>　　理想的加速曲線一般為指數曲線，步進電機整個降速過程的頻率變化規(guī)律是整個加速過程頻

70、率變化規(guī)律的逆過程。若選定的曲線比較符合步進電機升降過程的運行規(guī)律，則能充分利用步進電機的有效轉矩，快速響應性好，縮短了升降速的時間，并可防止失步和過沖現象。</p><p>　　第5章 步進電機的應用</p><p>　　5.1步進電機在醫(yī)用儀器中的應用</p><p>　　1. 步進電機在自動生化分析儀上的應用</p><p>　　自動

71、生化分析儀是把臨床生化分析的取樣,加試劑,去干擾,混合,保溫反應,檢測,數據處理,結果顯示和輸出,以及清洗等實驗操作步驟實現自動化操作的儀器。</p><p>　　自動生化分析儀的自動加樣、取樣功能是通過其加樣系統(tǒng)來實現的。加樣系統(tǒng)中的機械執(zhí)行機構一般包括：懸臂機構和驅動機構。國內目前的驅動機構一般采用旋轉步進電機與傳動機構諸如：同步帶、齒輪齒條，滾珠絲桿之類；傳動機構與懸臂機構相連，從而實現自動加樣取樣功能。滾

72、珠絲桿缺點是體積大，成本高，對機構調校要求高，而且滾珠絲桿一般螺距較大，造成機構分辨率不高。而其他傳動方式的缺點在于精度不高，再就是噪音比較大，最關鍵的是壽命無法保證，從而影響了產品的整體質量和檔次，與國外同類產品的競爭中處于不利地位。</p><p>　　圖5.1 傳統(tǒng)傳動方式結構復雜，綜合成本高</p><p>　　而直線步進電機以其高精度，高可靠性彌補以上缺陷的同時實現了自

73、動生化分析儀的精確加樣，自動裝載。</p><p>　　下圖是直線步進電機在生化分析儀加樣臂上的典型應用</p><p>　　圖5.2 直線步進電機結構簡潔，便于整體設計</p><p>　　由于直線步進在電機內部實現旋轉運動到直線運動的轉換，使懸臂機構與電機直接連接，在做到機構盡量精巧簡潔的同時，無須中間傳動環(huán)節(jié)的機械機構使其能夠做到更高精度，更高效率以

74、及更高壽命。</p><p>　　更簡潔：直線步進電機的在結構上的特性帶來了它在使用上的便利。事實上，直線步進電機之所以在自動生化分析領域有如此成功的應用，原因是其簡潔、精確、靈敏高可靠性的特點完美的契合了自動生化分析儀對線性運動控制性能要求。</p><p>　　更高精度：直線步進電機采用Acme螺桿傳動，螺桿一次碾壓成型，傳動精度可以做0.0005mm/mm，最高分辨率可達0.0015

75、mm。此外為了達到更高精度，可以配上反向消隙螺母，它能夠消除背隙，達到更高的傳動精度。</p><p>　　更高效率：與齒輪齒條傳動或者同步帶傳動等自動生化分析儀中常用的傳動機構相比，直線步進電機無疑有著更高的傳動效率。首先是其Acme螺桿與一般的V形螺紋相比，其29度牙形角效率更高，并且由于它專門為傳動設計，所以表面光潔度、螺距精度以及公差都不是V形螺紋可以比擬的。</p><p>　　

76、圖5.3  Acme螺紋和V形螺紋對比</p><p>　　更高壽命：由于作為直線步進電機專利結構設計（專利號中國ZL200330102644.4， 美國 6.932，319），以及專業(yè)化的線性傳動制造工藝保證整體機構的高壽命，另外其自潤滑的螺母材料和高質量的螺桿加工工藝，也為其提供高壽命保證。事實上，在正常負載條件下，電機至少能達到500萬次循環(huán)的壽命。</p>

77、;<p>　　2.步進電機的應用范圍很廣，在其它醫(yī)用儀器中也是如此。如分析儀器中棱鏡分光單色器，就可通過控制步進電機，調節(jié)棱鏡轉角，選擇所需的單色光。自動生化分析儀樣品盤旋轉與定位也可由步進電機控制。臨床化學分析中經常使用的高精度自動稀釋器也是一個使用步進機控制的典型。</p><p>　　醫(yī)院內的醫(yī)療器械離患者最近．需要使用振動小、噪音低的步進電機。液體定量傳輸和傳輸量管理要使用高精度的輸液泵驅動

78、儀器和各種分析儀器等，定量輸液采用步進電機非常合適。透析設備或注射泵等由于靠近患者，大多使用振動噪音小的三相RM型步進電機或HB型步進電機。注射泵采用步進電機的原因是與無刷電機相比能得到低速大轉矩。</p><p>　　今后，能代替人完成治療任務的、動作準確和靜音度高的、使用電機的醫(yī)療設備會越來越多應用于臨床。這些設備將來會使用更多定位精度高的、易于速度開環(huán)和閉環(huán)控制的步進電機。</p><p

79、>　　5.2步進電機在物料計量方面的應用</p><p>　　1.粉狀物料的計量 </p><p>　　螺桿計量是常用的容積式計量方式，它是通過螺桿旋轉的圈數多少來達到計量的多少，為了達到計量大小可調和提高計量精度的目的，要求螺桿的轉速可調和位置定位準確，使用步進電機可以同時滿足這兩個方面的要求。 </p><p>　　步進電機與螺桿采用直接連接的方式

80、，結構簡單，維修方便。值得指出的是，如步進電機的過載能力較代，當輕微過載時，就會出現相當大的噪聲。因此，在計量工況確定以后，就要選用較大的過載系數，以保證步進電機平衡工作。 </p><p>　　2．粘稠體物料的計量 </p><p>　　步進電機控制齒輪泵也可以實現精確計量。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。目前在對這些物料的計量

81、方面大多使用活塞泵，存在著調整困難、結構復雜、不便維修、功耗大、計量不準等缺點。 </p><p>　　齒輪泵計量是靠一對齒輪嚙合轉動計量的，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。 </p><p>　　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，其它經濟指標會

82、顯著下降。對于轉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，結果聲難以噪聲難以避免，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，計量精度得到了保證。 </p><p>　　5.3 步進電機在供送包裝膜中的應用</p><p>　　在制袋、充填、封口為一體的包裝機中，要求包裝用塑料薄

83、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。 </p><p>　　1．用于間歇式包裝機 </p><p>　　間歇式包裝機使用步進電機供膜，可靠性可以得到提高。以前的包裝膜供送多采用曲柄連桿機構間歇拉帶方式，結構復雜，調整困難，特別是當需要更換產品時，不僅調節(jié)困難，而且包裝膜浪費很多。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，而且調節(jié)極為方

84、便，只要通過控制面板上的按鈕就可以實現，這樣既節(jié)省了調節(jié)時間，又節(jié)約了包裝材料。 </p><p>　　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速的方法實現，轉空比的設定通過撥碼開關就可以實現。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，步進電機按到信號后，停止轉動，延時一

85、定時間后，再轉動供膜，周而復始，保證按照色標的位置定長供膜。 </p><p>　　2．用于連續(xù)式包裝機 </p><p>　　在連續(xù)工包裝機中，步進電機是連續(xù)轉動的，包裝膜被均勻的連續(xù)輸送，當改變袋長時，只需通過撥碼開關就可以實現。 </p><p>　　5.4步進電機在橫封中的應用</p><p>　　在連續(xù)式包裝機中，橫封是

86、一個很重要的執(zhí)行機構，也是包裝機中比較復雜的機構之一。特別對于有色檔的包裝膜，其封口和切斷位置要求極其嚴格，為了提高切斷的準確性，人們先后研制了偏心鏈輪機構、曲柄導桿機構等，但這些機構都存在著調整十分麻煩、可靠性低的缺點。造成這些缺點的主要原因是工藝要求橫封輪定速橫封和定位切斷。 </p><p>　　步進電機直接驅動橫封輪可以實現速度同步。連續(xù)式包裝機的供膜輪是連續(xù)供膜的，橫封時要求橫封的線速度與薄膜供送的

87、速度同步，以免出現撕裂薄膜和薄膜堆積的情況，由于橫封輪的直徑是恒定的，當改變袋長時，就需要通過改變橫封輪的轉速來改變，但是橫封需要一定的時間，就是說橫封輪與薄膜從接觸到離開需要恒定的時間，否則封口吵嚴。橫封輪每轉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的轉速分成兩部分，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。</p><p><b>

88、;　　第6章 結論</b></p><p>　　利用可編程控制器可方便地實現對電機的速度和位置進行控制，可靠地實現各種步進電機的操作，完成各種復雜的工作。它是一種先進的工業(yè)自動化設備，可廣泛地在造紙、食品、包裝以及其他輕工機械中得到應用。用PLC控制步進電機實現點位控制在數控機床改造中也是一種經濟、有效的方法。</p><p>　　步進電機在包裝機械中的就用還剛剛開始，原來許

89、多傳統(tǒng)的機械控制方式都可以用步進電機來替代，除了上面介紹的一些用途外，它還在印刷、灌裝、囊包等方面得到了應用，相信在較短的時間內，我國的包裝機械行業(yè)定能在步進電機技術的平臺上躍上一個新的水平。</p><p>　　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，其它經濟指標會顯著下降。對于轉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，結果聲

90、難以噪聲難以避免，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，計量精度得到了保證。</p><p>　　在這次的報告中，我學到了許多以前不知道的東西。對于步進電機有了更深地了解，我想以后在步進電機這一方面有更多的學習。希望能在以后的工作能有所作用。</p><p><b>　　謝 辭</b></p>

91、<p>　　經過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經接近尾聲，由于經驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，以及一起工作的同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。</p><p>　　在這里我要感謝我的指導教師何老師。何老師雖身負教學、科研重任，仍抽出時間，不時召集我和同門以督責課業(yè)，耳提面命，殷殷之情盡在諄諄教誨中。這篇論文更傾注了他的大量心血。從初稿到定稿，何老師不厭其煩，一

92、審再審，大到篇章布局的偏頗，小到語句格式的瑕疵，都予以指出。同時，我要感謝上海醫(yī)療器械高等專科學校所有給我上過課老師，是他們傳授給我方方面面的知識，拓寬了我的知識面，培養(yǎng)了我的功底，對論文的完成不無裨益。我還要感謝學校的各位工作人員，他們細致的工作使我和同學們的學習和生活井然有序。</p><p>　　謹向我的父母和家人表示誠摯的謝意。他們是我生命中永遠的依靠和支持，他們無微不至的關懷，是我前進的動力；他們的殷殷

93、希望，激發(fā)我不斷前行。沒有他們就沒有我，我的點滴成就都來自他們。  </p><p>　　讓我依依不舍的還有各位學友、同門和室友。在我需要幫助的時候，是你們伸出溫暖的雙手，鼎立襄助。能和相遇、相交、相知是人生的一大幸事。  </p><p>　　本論文的完成遠非終點，文中的不足和淺顯之處則是我新的征程上一個個新的起點。  <

94、/p><p><b>　　我將繼續(xù)前行！</b></p><p>　　逝者如斯，不舍晝夜，兩次春去春又來，歲月稍縱即逝。此時，回頭想想這段短暫的求學路，時而喜悅，時而惆悵。在這個美麗的校園里，原本天真幼稚的我如今已蛻變成一個睿智、沉穩(wěn)的青年，感謝命運的安排，讓我有幸結識了許多良師益友，是他們教我如何品味人生，讓我懂得如何更好的生活！人生處處是驛站，已是揮手作別之時，在此，

95、向所有幫助過我的人獻上我最誠摯的謝意！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 韓慶瑤，劉崇倫，李巧紅,步進電機在數控定位控制系統(tǒng)中的應用,自動化博覽，(3)2005</p><p>　　[2] 舒冰,控制步進電機在分類存儲中應用, 自動化技術與應用,（11）2009</p><p>