发布时间 : 星期一 文章基于plc控制的步进电机控制系统设计毕业论文设计更新完毕开始阅读4c9bcb1abf23482fb4daa58da0116c175f0e1ed2
率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频。
(1)步进电机结构剖面图如图2-1所示。
[6]
图2-1步进电机结构剖面图
电机的定子齿有三个励磁绕阻，转子细分为均匀的40个小齿，励磁绕阻的几何轴线与转子齿轴线错开，距离分别为0、1/3、2/3 (相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示)，那么A相与齿1相对齐，B相与齿2向右错开1/3，C相与齿3向右错开2/3，A'与齿5相对齐，那么就是说A'就是A，齿5就是齿1[7]。定转子的展开图如图2-2所示。
(2)旋转其通电状态。
当采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态时，原来每步1/3会变成每步1/6，甚至可以组合不同的二相电流，使其1/3变为1/12，乃至于1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。很容易得出一般规律：如果电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m，2/m……(m-1)/m，1。
36BF003型步进电动机的三个绕组分别用A、B、C表示。
三拍运行时，正转通电顺序为A→B→C→A…，反转通电顺序为C→B→A→C?；或正转通电顺序为AB→BC→CA→AB?，反转通电顺序为AC→CB→BA→AC?。
六拍运行时，正转通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A?；反转通电顺序为A→AC→C→CB→B→BA→A?。 '
图2-2定转子的展开图
(3)频率关系和转速的关系
式中， M、Z、K同上；n为每分钟转速 r/min；当M相M拍通电时，K=1，当M相2M拍通电时，K=2。
(4)力矩
步进电机通电后，就会在定子和转子间将产生磁场(磁通量Ф)，当转子与定子错开一定角度，力F与(dФ/dθ)成正比，其磁通量（Br为磁密，S为导磁面积），F与成正比，L为铁芯有效长度，D为转子直径。
在线性状态下，得出力矩公式
V:半径力矩与电机有效 N:安匝数
因此，力矩与电机有效体积、励磁安匝数成正比，而与定转子间气隙成反比，反之亦然[8]。
2.3 步进电机的驱动系统
步进电机在单单仅给予电压时，电机是不会动作的，必须透过脉波产生器提供位置（脉波数）、速度的脉波信号指令，以及驱动器驱动电流流过电机内部线圈、依顺序切换激磁相序的方式才能够让电机运转,开环伺服系统图2-3，而欲使步进电机动作的必要系统组成有：
(1)脉冲产生器：给予角度（位置移动量）、动作速度及运转方向之脉冲信号的电机驱动指令。
(2)步进驱动器：依控制器所投入的脉冲信号指令，提供电流来驱动步进电机动作。
(3)步进电机：提供转矩动力输出来带动负载。
所以步进电机系统构成简单，不需要速度感应器（ENCODER、转速发电机）、位置传感器（SENSOR），即能依照脉冲产生器所输入的脉冲来做到速度及位置的控制[9]。
图2-3 开环伺服系统
脉冲源采用555定时器产生，它工作频率易于改变从而可以控制步进电机的速度并且工作可靠，简单易行，占空比可调的方波发生器如图2-4, ,。在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑。同一控制对象，根据生产的工艺流程不同，控制要求或控制时序会发生变化，即要求程序有较好的柔性。
图2-4占空比可调的方波发生器
3 驱动电路电源设计方案
3.1 方案设计
(1)方案一 步进电机选反应式步进电机，驱动电路选用高低压切换电源。高低压切换型电源的原理线路如图3-1所示。图中当分配器输出端出现控制信号U,要求绕组通电时，三极管的基极都有信号输入使导通，于是在高压电源的作用下，绕组电流迅速上升，电流迅速上升，电流前沿很陡。当电流达到或稍微超过额定稳态电流时,利用定时电路或者电流检测反馈等措施使基极上信号电压消失，因此绕组电流立即转而由低压电源经过二极管 供给。低压电源的电压值应使绕组中的电流限制在额定稳态电流值。当分配输出端信号电压U消失，要求绕组断电时，基极上的信号电压也消失了。绕组中的电流经二极管及电阻向高压电源放电，电流迅速下降。
(2)方案二 驱动电路选择单一电压型电源。图3-2是单一电压型电源的一相功放电路（m相电机有m个这样的功放的电路）的原理图。来自分配器的信号经过几级电流放大后加到三极管V1的基极，控制的导通和截止。V1是功放电路的末级功放管，它与步进电机一相绕组串联，所以通过功放管V1的电流与通过步进电机的电流是相等的。由步进电机的工作原理可知道这样的电流波形会使步进电机的输出转矩减小，动态特性变坏。若要提高转矩，应缩短电流上升的时间常数Ta，使电流前沿变陡，这样，电流波形接近矩形。由于Ta=R/L，要减少Ta就要在设计电机时尽量要减小绕组电感L。另外，如果加大图3-1中串联的电阻R1也就可以使时间常数Ta下降，但是加大R1以后，为了达到同样的稳态电流值，电源电压就要作相应的提高；图3-3中曲线I’和I’’分别表示串联电阻R1’和R1’’（ R1’’> R1’）时的绕组电流波形图。可以看出，当R1增大后，电流幅值增大，波形更加接近于矩形。这样可以增大转矩，提高启动和连续运行频率，并使启动和运行矩频特性下降缓慢，如图3-4所示曲线T’和T’’分别表示串联电阻为R1’和R1’’时候的特性。
(3)方案比较和选择
单一电压型电源只有一种电压，功放元件少，成本低。但是它的最主要缺点是电流流过串联电阻R1后要消耗非常可观的电能，这部分消耗的电功率变成了热量白白的浪费掉了。而且功耗随着R1值及其电机功率的增大而增大。这样，一方面是电源设备的效率大为下降，同时所散发的热量又使控制柜内温度升高，为了不影响电子元件的性能，还需要增添许多散热设备，因而增大了电源体积，提高了成本。
而使用高低压切换型电源则不存在这样的问题，因为电机绕组上不需要串联电阻或者只需要串联一个很小的电阻R1（为平衡各相电流，其值一般约为0. 1 ~0.5Ω），所以电源功耗也比较小。而且高低压切换电源加在绕组中的电压和电流波形图也会得到很大
改善如图3-5，所以导致电机的转矩特性很好，启动和运行频率都得到很大的提高。
在实现控制要求的基础上，应使程序尽量简洁﹑紧凑，要求程序修改方便、简单。 通过对方案一和方案二的比较，本次设计选择方案一。 (4)步进电机驱动电源的选择
步进电机是由专门的驱动电源供电的，驱动电源和步进电机是一个有机整体，步进电机的运行性能是电动机及其驱动电源二者配合的综合表现。
(5)调速范围的确定
由于技术参数已经给定，所以在选用步进电机的时候要注意在调速时在调速范围内的脉冲频率不能小于步进电机的自由振动频率的1/k，否则转子会发生强烈振荡甚至失步。解决办法是为削弱振荡现象，一般都会装有机械阻尼器。
图3-1 高低电压驱动电路原理图 图3-2单电压驱动电路原理图
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图3-3 不同串联电阻值对电流的影响 图3-4不同串联电阻对矩频特性的影响
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图3-5 绕组换接时电流和电压的变化
3.2 步进电机的速度控制
步进电机的运转速度会与输入的脉冲速度成等比例的关系，所以在脉冲的速度愈快时，步进电机的转速也会跟着加快；脉波速度愈慢时，电机的转速自然也跟着变慢。
电机的运转速度（RPM）与脉冲速度（PPS，又称Hz）间的关系式如下： 电机的运转速度（RPM）＝ 脉冲速度（PPS或 Hz）× 60÷步进电机分割数/圈
说明：
(1)RPM为一般电机的速度单位，即 rev / min，为每分钟电机所转的圈数；PPS为步进、伺服电机的速度单位，即pulse per second，为每秒所送出的脉冲数。
(2)由于RPM与PPS的单位不同，所以于转换的过程中要先将PPS的秒钟乘以60变为分钟 。
(3)步进电机分割数/圈，又代表要让电机转一圈所必须送出的脉冲数。