畢業設計論文單片機實現的步進電機遠程控制系統(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 。 步進電機實際上是一個數字 /角度轉換器，也是一個串行的數 /模轉換器。步進電機的結構與步進電機所含的相數有關，以三相步進電機的結構原理為例。 電機的定子又 6 個等分的磁極，即 A， A`， B， B`， C， C`。相鄰的兩個磁極間的夾角為 60 度。相對的兩個磁極組成一相，即 A— A` 相 B— B`相 CC`相。當某一繞組有電流通過時，該繞組相應的兩個磁極立即形成 N 極和 S 極，每個磁極上各有 5 個均勻分布的矩形小齒。 步進電機的轉子上沒有繞組，而是 40 個矩形小齒均勻分布在圓周上，相鄰兩齒之間的夾角為 9 度。當 某相 繞組 通電時，對應的磁極就會產生磁場，并轉子形成磁路。若此時定子的小齒與轉子的小齒沒有對齊，則在磁場的作用下，轉子轉動一定的角度，是轉子齒和定子齒對齊。由 此可見，錯齒是促使步進電機旋轉的根本原因。 在單三拍控制的方式中，加入 A 相通電， B、 C 相都不通電，在磁場的作用下，使轉子齒和 A 相得定子齒對齊。若以此作為初始狀態，設與 A 相磁極中心對齊的轉子齒為 0 號齒，由于 B 相磁極與 A 相磁極相差 120 度。且 120/9=13*（ 3/9） 不為整數，所以，在此時轉子齒不能與 B 相定子齒對齊，只是 13 號小齒靠近 B 相磁極的中心線，與中心線相差 3 度。如果此時突然變成 B 相通電，而 A、 C 兩相都不通電，則 B 相磁極迫使13 號轉子齒與之對齊，整個轉子就轉動 3 度。此時，稱電極走了一步。 10 同理，我們按照 A— B— C— A 順序通電一周，則轉子轉動 9 度。 磁阻式步進電機的步距角（ Qs）可由下邊的公式求得： Qs=360 度 /(N*Zr) 式中， N=Mc*C 為運行節拍數，其中 Mc 為控制繞組相數， C 為狀態系數。采用但三拍或雙三拍時， C=1；采用單六拍或雙六拍時， C=2。 Zr 為轉子齒數。 步進電機的分類 步進電機按結構分類：步進電動機也叫脈沖電機，包括反應式步進電動機（ VR）、永磁式步進電動機（ PM）、混合式步進電動機（ HB）等。 反應式步進電動機：也叫感應式、磁滯式或磁阻式步進電動機。其定子和轉子均由軟磁材料 制成，定子上均勻分布的大磁極上裝有多相勵磁繞組，定、轉子周邊均勻分布小齒和槽，通電后利用磁導的變化產生轉矩。一般為三、四、五、六相；可實現大轉矩輸出（消耗功率較大，電流最高可達 20A，驅動電壓較高）；步距角小；斷電時無定位轉矩；電機內阻尼較小，單步運行（指脈沖頻率很低時）震蕩時間較長；啟動和運行頻率較高。 永磁式步進電動機：通常電機轉子由永磁材料制成，軟磁材料制成的定子上有多相勵磁繞組，定、轉子周邊沒有小齒和槽，通電后利用永磁體與定子電流磁場相互作用產生轉矩。一般為兩相或四相；輸出轉矩小（消耗功率較小，電流 一般小于 2A，驅動電壓 12V）；步距角大（例如 度、 15 度、 度等）；斷電時具有一定的保持轉矩；啟動和運行頻率較低。 混合式步進電動機：也叫永磁反應式、永磁感應式步進電動機，混合了永磁式和反應式的優點。其定子和四相反應式步進電動機沒有區別（但同一相的兩個磁極相對，且兩個磁極上繞組產生的 N、 S 極性必須相同），轉子結構較為復雜（轉子內部為圓柱形永磁鐵，兩端外套軟磁材料，周邊有小齒和槽）。一般為兩相或四相；須供給正負脈沖信號；輸出轉矩較永磁式大（消耗功率相對較小）；步距角較永磁式小（一般為 度）；斷 電時無定位轉矩；啟動和運行頻率較高；是目前發展較快的一種步進電動機。 步進電動機按工作方式分類：可分為功率式和伺服式兩種。 功率式：輸出轉矩較大，能直接帶動較大負載（一般使用反應式、混合式步進電動機）。 伺服式：輸出轉矩較小，只能帶動較小負載（一般使用永磁式、混合式步進電動機）。 步進電機的 選擇 首先選擇類型，其次是具體的品種與型號。 11 反應式、永磁式和混合式三種步進電動機的性能指標、外形尺寸、安裝方法、脈沖電源種類和控制電路等都不同，價格差異也很大，選擇時應綜合考慮。 具有控制集成電路的步進電動機應 優先考慮。 步進電動機的基本參數及特性 電機固有步距角： 它表示控制系統每發一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如 86BYG250A 型電機給出的值為 176。 /176。（表示半步工作時為 176。、整步工作時為 176。），這個步距角可以稱之為“電機固有步距角”，它不一定是電機工作時的實際步距角，實際步距角和驅動器有關。 步進電動機的相數： 是指電機內部的線圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電動機。電機相數不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為 176。/176。、三相的為 176。 /176。、五相的為 176。 /176。 。步進電動機增加相數能提高性能，但步進電機的結構和驅動電源都會更復雜，成本也會增加。 保持轉矩（ HOLDING TORQUE）：也叫最大靜轉矩，是在額定靜態電流下施加在已通電的步進電動機轉軸上而不產生連續旋轉的最大轉矩。它是步進電動機最重要的參數之一，通常步進電動機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電動機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。比如，當人們說 ，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為 。 步距精度：可以用定位誤差來表示，也可以用步距角誤差來表示。 矩角特性：步進電動機的轉子離開平衡位置后所具有的恢復轉矩，隨著轉角的偏移而變化。步進電動機靜轉矩與失調角的關系稱為矩角特性。 靜態溫升：指電機靜止不動時，按規定的運行方式中最多的相數通以額定靜態電流，達到穩定的熱平衡狀態時的溫升。 動態溫升：電機在某一頻率下空載運行，按規定的運行時間進行工作，運行時間結束后電機所達到的溫升叫動態溫升。 轉矩特性：它表示電機轉矩和單相通電時勵 磁電流的關系。 啟動矩頻特性：啟動頻率與負載轉矩的關系稱為啟動矩頻特性。 運行矩頻特性 /慣頻特性：略 升降頻時間：指電機從啟動頻率升到最高運行頻率或從最高運行頻率降到啟動頻率所需的時間。 DETENT TORQUE：是指步進電動機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。DETENT TORQUE 在國內沒有統一的翻譯方式，容易產生誤解；反應式步進電動機的轉子不是永磁材料，所以它沒有 DETENT TORQUE。 12 步進電動機的一些特點 。 步進電機的特點 步進電動機沒有積累誤差：一般步進電動機的精度為實際 步距角的百分之 35，且不累積。 步進電動機在工作時，脈沖信號按一定順序輪流加到各相繞組上（由驅動器內的環形分配器控制繞組通斷電的方式）。 即使是同一臺步進電動機，在使用不同驅動方案時，其矩頻特性也相差很大。 步進電動機與其它電動機不同，其標稱額定電壓和額定電流只是參考值；又因為步進電動機是以脈沖方式供電，電源電壓是其最高電壓，而不是平均電壓，所以，步進電動機可以超出其額定值范圍工作。但選擇時不應偏離額定值太遠。 步進電動機外表允許的最高溫度： 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃 至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達攝氏 200 度以上，所以步進電動機外表溫度在攝氏 8090 度完全正常。 步進電動機的力矩會隨轉速的升高而下降：當步進電機轉動時，電機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，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。 步進電動機低速時可以正常運轉，但若高于一定頻率就無法啟動，并伴有嘯叫聲。 步進電動機有一個技術參數：空載啟動頻 率，即步進電動機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，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。 四相混合式步進電機一般由兩相驅動器來驅動，因此，連接時可以采用串聯接法或并聯接法將四相電機接成兩相使用。串聯接法一般在電機轉速較低的場合使用，此時需要的驅動器輸出電流為電機相電流的 倍，因而電機發熱小；并聯接法一般在電機轉速較高的場 合使用（又稱高速接法），所需要的驅動器輸出電流為電機相電流的 倍，因而電機發熱較大。 混合式步進電機驅動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍 （比如 IM483 的供電電壓為 12～ 48VDC），電源電壓通常根據電機的工作轉速和響應要求來選擇。如果電機工作轉速較高或響應要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅動器。 供電電源電流一般根據驅動器的輸出相電流 I 來確定。如果采用線性電源，電源電 13 流一般可取 I 的 ～ 倍；如果采用開關電源，電源電流一般可取 I 的 ～ 倍。 當脫機信號 FREE 為低電平時，驅動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉子處于自由狀態（脫機狀態）。在有些自動化設備中，如果在驅動器不斷電的情況下要求直接轉動電機軸（手動方式），就可以將 FREE 信號置低，使電機脫機，進行手動操作或調節。手動完成后，再將 FREE 信號置高，以繼續自動控制。 用簡單的方法調整兩相步進電機通電后的轉動方向，只需將電機與驅動器接線的A+和 A（或者 B+和 B）對調即可。 關于步進電機調速問題 步進電動機是一種將脈沖信號變換成相應的角位移 (或線位移 )的電磁裝置 ，是一種特殊的電動機。一般電動機都是連續轉動的，而步進電動機則有定位和運轉兩種基本狀態，當有脈沖輸入時步進電動機一步一步地轉動，每給它一個脈沖信號，它就轉過一定的角度。步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數嚴格成正比，在時間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數量、頻率及電動機繞組通電的相序，便可獲得所需的轉角、轉速及轉動方向。在沒有脈沖輸入時，在繞組電源的激勵下氣隙磁場能使轉子保持原有位置處于定位狀態。 在三相步進電動機定子上有 A、 B、 C 三對磁極，磁極上繞有線圈，分別稱之為 A相、 B 相和 C 相，而轉子則是 一個帶齒的鐵心。如果在線圈中通以直流電，就會產生磁場， A、 B、 C 三個磁極的線圈依次輪流通電，則 A、 B、 C 三對磁極就依次輪流產生磁場吸引轉子轉動。 關于步進電機的問題 怎么確定步進電機的型號，要注意那幾個主要參數？混合式步進電機中的靜力矩，引線數，電感等參數如何理解？ 一般是根據您的負載選電機， 主要是參考步進電機的力矩，詳細的還涉及到電機的轉速和額定電流，傳動機構等，起動的轉速和正常運行的轉速，另外還有電機的精度。 靜力矩或者叫保持轉矩（ HOLDING TORQUE） : 是指步進電機通電但沒有 轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。比如，當人們說 的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為 。 定位力矩 （ DETENT TORQUE） 14 是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。由于 DETENT TORQUE 在國內沒有統 一的翻譯方式，不知道你說的定位力矩是不是這個，我認為是了。 從上面可以看出，靜力矩和定位力矩的區別就是電機通電和不通電定子鎖住轉子的力矩的區別了。 引線數： 引線數就比較直觀了，就是電機接線引腳的數目。 2 相雙極型電機是 4 根引線。 2相單極型電機是 5 線或者 6 線的。 電感： 電感的參數一般而言不是電機重點參數，但是它和電機有非常密切的關系，電感通電產生電磁感應才有電磁力。不過因為電磁力還和電機內部其他東西有很大關系，很難從電感上看出什么，看電機力氣還是得看靜力矩和矩頻曲線。電感只是和驅動電路設計上有點關 系。 兩相步進電機和四相步進電機有何不同 ? 兩相步進電機在定子上只有 2 個繞組， 4 根引出線，一般整步步距角為 度，半步步距角為 度，驅動器只須通過對兩相繞組電流通斷進行控制就可以了；而 4 相步進電機在定子上有四個繞組， 8 根引出線，整步為 度，半步為 度，驅動器需要對 4 個繞組進行控制，電路的復雜性和成本都會增加。因此，一般兩相步進電機配兩相驅動器，需要更小的步距角時，可以采用細分驅動器。 為什么說“兩相步進電機和四相步進電機是一回事” 有些公司將兩相 4 線和四相 8 線的步進電機通稱為兩相步進電機，驅 動器也似乎只有兩相的。這是因為，四相繞組兩兩并聯或串聯后就成為兩相繞組