开环运动控制计算机文化基础设计方案

1 开环运动控制计算机文化基础设计方案 1 1 课题背景 微电子技术、计算机技术特别是微型计算机技术的迅速发展，促进了电 子技术、检测传感器技术、自动控制技术、计算机技术和机械技术等多种技 术相互交叉、渗透与融合。机电一体化（ 一复合型边缘学 科在这种背景下便应运而生 。 械学）和 子学）的复合词。机电一体化是机械工程领域发展的必然 趋势，它包括机电一体化技术和机电一体 化产品 (或系统 ). 电一体化产品构成 1 2 设计任务说明 在本次设计中，我们所要解决的问题及任务有： 1. 对双坐标运动控制系统进行总体设计，确定可行的设计方案； 2. 对系统机械传动部分进行设计，根据滚珠丝杠和滚动直线导轨的设 计、选择，最终确定工作台的选型； 3. 对系统执行装置（电机及驱动器）的选择； 4. 对系统控制部分进行设计、 选择， 确定所需的运动控制器及其配件； 5. 了 2 解市场行情，联系购买所需的实验设备； 6. 进行系统硬件的连接以 及工作台的调试； 7. 对工作台进行测绘，用 制工作台 配图 1 张、 件图 3 张； 8. 编写 序，实现对双坐标工作台的运动控制。 1 3 搭建双坐标运动控制系统所用的设备 实现双坐标运动平台基本运动控制所需的器材： 1. 工业计算机一台； 2 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 2. 美国 司 4 轴步进电机控制卡 7134 一块、 7764 接线 盒一个以及专用电缆 S 一根； 3. 南京顺康数码科技有限公司生产的 坐标工作台一座； 4. 北京四通公司生产的 90相混合式步进电机及其驱动器 50806B 两套； 5. 5V 直流稳压电源一个、 80动器电源两个； 6. 连线若干。 3 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 工作台的运动控制系统是将机械 系统、电气系统与电子系统结合而形成的一个有机整体。一般来说， 作台的运动控制系统有三种：开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系 统。 工作台的开环控制，这类控制不带位置检测反馈装置。由上位机（ 控制 单元）输出的指令脉冲经驱动电路的功率放大，驱动步进电动机转动，再经 传动机构带动工作台移动。 第 2 章 双坐标运动控制系统的总体设计 2 1 作台控制系统简述及控制方案选择 珠丝杠副的选择 X Y 工作台是指能分别沿着 X 向和 Y 向移动的工作台。 其工作原理是 X、 Y 向采用步进或伺服电机，通过齿轮减速器（降低速度、放大动力）和滚珠 丝杠传动，驱动工作台作 X Y 向的运动。工作台的运动控制系统是将机械 系统、电气系统与电子系统结合而形成的一个有机整体。一般来 说， 作台的运动控制系统有三种：开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系 统。 工作台的开环控制，这类控制不带位置检测反馈装置。由上位机（控制 单元）输出的指令脉冲经驱动电路的功率放大，驱动步进电动机转动，再经 传动机构带动工作台移动。见图 2 向滚动直线导轨副选择 1 各滚动载荷 P 1 = 130* 2 将目标寿命换算为 命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，开机 3 率 80% 算，预期寿命 时数 L h 10*300*2*8*38400h L= 2ls 60 103 2*60*38400/10 3 6912km 最大行程 3 额定动载荷 18 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 查表得 f t 1， f c f a f w 1，取 f h 1。 额定动载荷 f w * 6912 L *3 f h ft f c f a K 1*1*0 查表选用 2*1000*E 直线滚动导轨副， 该导轨副的 2 1 受力分析图示 工作台开环控制系统框图 工作台的闭环控制 这类控制带有位置检测反馈装置。位置检测装置安 装在工作台上，用以检测工作台的实际位置，并与上位机输出的指令位置进 行比较，用差值进行控制，其程序框图如图 2示。 4 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 图 2作台闭环控制系统框图 工作台的半闭环控制，是将检测元件安装在电机的端头，见图 2 4 图 2由于闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及工作台。所以可以获得比较稳定的控 制特性。 图 2作台半闭环控制系统框图 上述的三种控制系统中，开环控制的工作台运动比较稳定，反应快，调 试方便，维修简单，但控制精度较低，这类控制系统多为经济型；而闭环控 制的工作台的控制精度高，适合对运动的精密控制，但需要增加速度检测元 件和位置检测 检测元件，这样使控制系统变得复杂，成本也大为增加；半闭 环控制的精度高于开环控制，低于闭环控制，成本也介于两者之间。 鉴于开环控制系统的成本较低，维修简单，在合理选用步进电机的情况 5 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 下，又能满足精度的要求，我们所设计的 作台的运动控制系统选用了 开环控制系统。 表 验值、文献分析的数值和 钢框架 极限承载力（ 柱顶位移（ 误差（ ） 试验值 载力误差 柱顶位移误差 文献 的 值 文分析值 2 开环运动控制系统的工作原理 向滚动直线导轨副 1. 各滚动载荷 P 1 = 130* 2. 将目标寿命换算为 命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，开机率 5 80%计 17 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 算，预期寿命时数 L h 10*300*2*8*38400 h L= 2ls 60 103 2*60*38400/10 3 6912km 最大行程 3 额定动载荷 查表得 f t 1， f c f a f w 1，取 f h 1。 额定动载荷 f w * 6912 L *3 f h ft f c f a K 1*1*0 查表选用 2*1000*E 直线滚动导轨副， 该导轨副的 向滚动直线导轨副选择 1 各滚动载荷 P 1 = 130* 2 将目标寿命换算为 命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，开机率 80% 算，预期寿命时数 L h 10*300*2*8*38400h L= 2ls 60 103 2*60*38400/10 3 6912km 最大行程 3 额定动载荷 18 山东建筑大学网络教育学 院毕业论文 查表得 f t 1， f c f a f w 1，取 f h 1。 额定动载荷 f w * 6912 L *3 f h ft f c f a K 1*1*0 查表选用 2*1000*E 直线滚动导轨副， 该导轨副的 实现对 作台的开环控制，即位置控制和速度控制，也就是要实现对其驱动装置步进电机的位移和速度控 制。 步进电动机，也叫脉冲电动机或电脉冲马达，是一种将电脉冲信号转换 成相应的角位移或线位移的控制电机。 对步进电机送入一个控制脉冲，其转 轴就转过一个角度或者移动一个直线位移，称为一步。脉冲数增加，角位移 （或线位移）随之增加；脉冲频率高，则步进电机的旋转速度就高，反之则 低；脉冲频率变化越快，步进电机的加速度越大，反之越小；分配脉冲的相 序改变后，步进电动则反转。 步进电机驱动系统主要用于开环位置控制 步进电机驱动系统主要用于开环位置控制，它由两大部分组成，即：步 进电机 +驱动器，如图 2示。 图 2进电机驱动系统 在上图中控制系统还不完整，还要有脉冲信号源整个步进电机系统才能运转起来。 图 2整的步进电机驱动系统 在实际中，步进电机驱动器要求的控制信号要复杂一些，举例如 2示： 图 2动器的控制信 6 号 驱动器要求的脉冲信号一般为 平兼容的方波信号， 而步距角选择 和电机使能信号为 平信号，如图 2示 。 步进电机旋转的脉冲信号 用普通脉冲频率发生器可对步进电机进行速度控制（手工调节脉冲频率 输出旋钮 ） ，但它不能精确控制所输出的脉冲数，也就不能精确控制步进电 机的旋转角度。根据应用需要，我们选用了 司的 列的 步进控制板卡 7314 组成给更复杂的步进电机控制系统，见图 2 步进电机控制 线 上 位 源 机 脉冲信号 步进电机 步进电机控制卡 图 2整的步进电机控制系统 上述系统再加上 作台就构成了工作台的开环运动控制系统。 8 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 图 2作台的开环运动控制系统 上位机： 上位机（工业计算机或 ）通过控制软件对电机控制卡进 行读写操作，可向控制卡发送位置、速度、加速度命令。 步进电机控制卡：控制卡根据主机的命令产生脉冲序列，脉冲个数（位 置） 、频率（速度）及频率变化率（加速度）均受主机控制。 步进电机驱动器：步进电机驱动器根据接收到的脉冲信号，产生多拍节 脉冲驱动信号控制步进电机旋转。 9 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 2 3 开环运动控制系统 向滚动直线导轨副 1. 各滚动载荷 P 1 = 130* 2. 将目标寿命换算为 命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，开机率 80%计 17 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 算，预期寿命时数 L h 10*300*2*8*38400 h L= 2ls 60 103 2*60*38400/10 3 6912km 最大行程 3 额定动载荷 查表得 f t 1， f c f a f w 1，取 f h 1。 额定动载荷 f w * 6912 L *3 f h ft f c f a K 1*1*0 查表选用 2*1000*E 直线滚动导轨副， 该导轨副的 滚动直线导轨副选择 1 各滚动载荷 P 1 = 130* 2 将目标寿命换算为 命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，开机率 80% 算，预期寿命时数 L h 10*300*2*8*38400h L= 2ls 60 103 7 2*60*38400/10 3 6912km 最大行程 3 额定动载荷 18 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 查表得 f t 1， f c f a f w 1，取 f h 1。 额定动载荷 f w * 6912 L *3 f h ft f c f a K 1*1*0 查表选用 2*1000*E 直线滚动导轨副， 该导轨副的 实现对 作台的开环控制，即位置控制和速度控制，也就是要实现对其驱动装置步进电机的位移和速度控制。 步进电动机，也叫脉冲电动机或电脉冲马达，是一种将电脉冲信号转换 成相应的角位移或线位移的控制电机。 对步进电机送入一个控制脉冲，其转 轴就转过一个角度或者移动一个直线位移，称为一步。脉冲数增加，角位移 （或线位移）随之增加；脉冲频率高，则步进电机的旋转速度就高，反之则 低；脉冲频率变化越快，步进电机的加速度越大，反之越小；分配脉冲的相 序改变后，步进电动则反转。 步进电机驱动系统主要用于开环位置控制 步进电机驱动系统主要用于开环位置控制，它由两大部分组成，即：步 进电机 +驱动器，如图 2示。 图 2进电机驱动系统 在上图中控制系统还不完整，还要有脉冲信号源整个步进电机系统才能运转起来。 图 2整的步进电机驱动系统 在实际中，步进电机驱动器要求的控制信号要复杂一些，举例如 2示： 图 2动器的控制信号 驱动器 要求的脉冲信号一般为 平兼容的方波信号， 而步距角选择 和电机使能信号为 平信号，如图 2示 。 步进电机旋转的脉冲信号 用普通脉冲频率发生器可对步进电机进行速度控制（手工调节脉冲频率 输出旋钮） ，但它不能精确控制所输出的脉冲数，也就不能精确控制步进电 机的旋转角度。根据应用需要，我们选用了 司的 列的 步进控制板卡 7314 组成给更复杂的步进电机控制系统，见图 2 步进电机控制 线 上 位 源 机 脉冲信号 步进电机 步进电机控制卡 图 2整的步进电机控制系统 上述系统再加上 作台就构成了工作台的开环运动控制系统。 8 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 图 2作台的开环运动控制系统 上位机：上位机（工业计算机或 ）通过控制软件对电机控制卡进 行读写操作，可向控制卡发送位置、速度、加速度命令。 8 步进电机控制卡：控制卡根据主机的命令产生脉冲序列，脉冲个数（位 置） 、频率（速度）及频率变化率（加速度）均受主机控制。 步进电机驱动器：步进电机驱动器根据接收 到的脉冲信号，产生多拍节 脉冲驱动信号控制步进电机旋转。 9 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 第 3 章 双坐标运动控制系统的机械系统设计 3 1 滚珠丝杠副的选择 向滚珠丝杠副的选择 作台的机械传动的关键部分采用滚珠丝杠副和滚动直线导轨副。 滚珠丝杠副和滚动直线导轨副，具有精度高、效率高、寿命长、磨损小、结 构紧凑、通用性强等优点。在下面的章节中主要是对此进行设计与计算。 滚珠丝杠摩擦系数 ? X 向工作台在 Y 向工作台上滚动，设二 者质量分别为 30 30工作台上所放物体的最大质量 m 50 在该部分的设计中 ,工作台 X， Y 方向的行程均为 300高运行速度 v 2m/们设进给时 X， Y 向速度相等；工件重量为 50用滚动直 线导轨，滚动摩擦系数 个方向的行程均较短，位置精度较低， 故滚珠丝杠副预选采用一端固定一端游动支承方式，丝杠精度为 1 3 级， 丝杠螺母副材料硬度 60， 工作温度小于 100 0 C ， 可靠性要求为 96%。 1. 丝杠载 荷 F 导轨摩擦力 丝杠载荷 F f 30 50） * F f 10 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 2. 丝杠转速 杠最大转速 v/s v/ 2000/5 = 400r/中，v 2m/丝杠最大移动速度， 5丝杠导程。 3. 初选滚珠丝杠副 （ 1）计算动负荷 a = * n f 2）寿命 工作条件查得 （ 3）综合系数 f 15000h， K h K n f = ft f h f a f k 1*1*1* = 表得： f t 1， f h 1， f a 1 ， f w =f k 4）滚珠丝杠副的型号 选用 内循环浮动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝杠副， 其型号为： 定动负荷 9 预紧力 1 满足要求。 3 2250N 4 丝杠螺纹部分长度 lu 工作台最大行程螺母长度两端余量， 9 300+100+2*24 448 支承距离 l 支承距离 l 应该大于丝杠螺纹部分长度 选取 l 540 1 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 6 临界转速 核 * 9910 = 9910 = 13941r / 满 足 要 。 （ 1）丝杠底径 d 2 ：查表得 d 2 16.4 m （ 2）支承方式系数 f 2 ，查表得 f 2 3)临界转速计算长度 c = 100 540 ? 448 + 300 + 24 + = 424 2 7压杆稳定性校核 临界压缩载荷 0 10 * 4 =0 10 *2* =0 4 N (1)丝杠支承 方式系数 f 1 (2)最大受压长度 L 0 查表得 f 1 0 （ 程（ 10 14） L 0 程 12 00+12*5 381 m 8预拉伸计算 9轴承的选择 查表，固定端采用 F 型轴端，轴承型号 36203，角接触球轴承需成对使 用，故固定端装两个轴承，面对面安装，游动端采用 A 型轴端，轴承 承形式，无需预拉伸，因而不必进行预拉伸计算。 12 山东建筑大学网络教育学院毕业论 文 型号 202。 10. 定位精度校核 (1)丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移 s Fa l *106 = (4* * 011 ) *106 4 m (2)丝杠与螺母间的接触变形 c = 36 m 表得 滚珠丝杠副的接触刚度： K c 536 N/ ? m (3)轴承的接触变形 B 轴向弹性变形 B 3 3 =0 ?4 m 2 4*132 滚珠数目 Z=13 (4)丝杠系统的总位移 = s c + B m （ 5）定位精度 s 生在螺母处于丝杠中部的地方， c 和 B 与螺母的位置无 13 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 关。查表，取丝杠精度等级为 3 级，任意 300行程公差为 8 ? m ， 加上丝杠系统的总位移 m ， 位置误差为 m ， 能满足 定位精度要求。 方向滚珠丝杠副的选择 1丝杠载荷 F 导轨摩擦力 丝杠载荷 10 2. 丝杠转速 杠最大转速 v/s v/ 2000/6=333.3 r/ f 30+30+50） * 其中， v 2m/丝杠最大移动速度， 5丝杠导程。 3. 初选滚珠丝杠副 （ 1）计算动负 荷 a = * f 2）寿命 工作条件查得 （ 3）综合系数 f 15000h， K h K n f = ft f h f a f k 1*1*1* = 表得： f t 1， f h 1， f a 1 ， f w =f k 4）滚珠丝杠副的型号 选用 内循环浮动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝 杠副， 14 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 其型号为： 定动负荷 9 预紧力 1 满足要求。 3 2250N 4 丝杠螺纹部分长度 lu 工作台最大行程螺母长度两端余量， 300+100+2*24 448 . 支承距离 l 支承距离 l 应该大于丝杠螺纹部分长度 选 l 540 6 临界转速 核 9910 * 9910 = 13941r / 满 足 要 。 （ 1）丝杠底径 d 2 ： 查表得 d 2 16.4 m （ 2）支承方式系数 f 2 ，查表得 f 2 3）临界转速计算长度 100 540 ? 448 + 300 + 24 + = 424 2 7. 压杆稳定性校核 临界压缩载荷 0 10 * 0 4 N 4 =0 10 *2* = 2 5 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 （ 1）支承方式系数 f 1 （ 2）最大受压长度 L 0 查表得 f 1 0 （ 程（ 10 14） L 0 程 12 00+12*5 381. 预拉伸计算 9. 轴承的选择 查表，固定端采用 F 型轴端，轴承型号 36203，角接触球轴承需成对使 用，故固定端装两个轴承，面对面安装，游动端 采用 A 型轴端，轴承 型号 202。 10. 定位精度校核 （ 1）丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移 承形式，无需预拉伸，因而不必进行预拉伸计算。 s Fa l *106 = (4* * 011 ) *106 4 m （ 2）丝杠与螺母间的接触变形 c = 36 m 表得 滚珠丝杠副的接触刚度： K c 536 N/ ? m （ 3）轴承 的接触变形 B 轴向弹性变形 B =0 ?4 m 2 2 4*13 3 滚珠数目 Z=13 16 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 （ 4） 11 丝杠系统的总位移 = s c + B m （ 5）定位精度 s 生在螺母处于丝杠中部的地方， c 和 B 与螺母的位置无关。 查表， 取丝杠精度等级为 3 级， 任 意 300行程公差为 15 ? m ， 加上丝杠系统的总位移 m ，位置误差为 m ，能满 足 定位精度要求。 3 2 滚动直线导轨副的选择 计算机控制的运动系统要求移动部件对指令做出快速响应的同时，还 要求有恒定摩擦阻力和无爬行现象，故采用滚动直线导轨。选用 滚动直线导轨（四方向等载荷型） ，两根导轨，每根导轨上两个滑块。 设工作台每分钟往复次数 n s =5,滚动直线导轨副目标寿命为 10 年，导轨 精度等级为 E 级 脉冲 我们知道，步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或 直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增 量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲 频率。 3 2 滚珠丝杠副的选择 向滚动直线导轨副选择 1. 各滚动载荷 P 1 = 130* 2. 将目标寿命换算为 命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，开机率 80%计 17 山东建筑大学网络教育学院毕 业论文 算，预期寿命时数 L h 10*300*2*8*38400 h L= 2ls 60 103 2*60*38400/10 3 6912km 最大行程 3 额定动载荷 查表得 f t 1， f c f a f w 1，取 f h 1。 额定动载荷 f w * 6912 L *3 f h ft f c f a K 1*1*0 查表选用 2*1000*E 直线滚动导轨副， 该导轨副的 向滚动直线导轨副选择 1 各滚动载荷 P 1 = 130* 2 将目标寿命换算为 命按每年工作 300 天，每天二班工作，每班 8h，开机 12 率 80% 算，预期寿命时数 L h 10*300*2*8*38400h L= 2ls 60 103 2*60*38400/10 3 6912km 最大行程 3 额定动载荷 18 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 查表得 f t 1， f c f a f w 1，取 f h 1。 额定动载荷 f w * 6912 L *3 f h ft f c f a K 1*1*0 查表选用 2*1000*E 直线滚动导轨副， 该导轨副的 驱动器 驱动器是把计算 机控制系统提供的弱电信号放大为步进电机能够接受 的强电流信号，控制系统提供给驱动器的信号一般有两种设置方式：单脉冲 控制方式（ 双脉冲控制方式（ cw/ 1. 单脉冲控制方式（ 步进脉冲信号（ 驱动器没接受一个脉冲信号就驱动步进电机旋 转一个步距角，脉冲信号的频率和步进电机的速度成正比，脉冲信号的个数 就决定了步进电机的旋转角度。这样控制系统就可以通过脉冲信号就可以达 到电机调速和定位的目的。 28 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 方向电平信号（ 此信号控制电机的旋转方向。比如说， 号 为高电平时电机正转， 号为低电平时电机则反转。此种换向方式，我 们称之为单脉冲方式。 2. 双脉冲控制方式（ cw/ 此控制方式，驱动器接受两种脉冲信号 正转（ 反转（ 当其中一路（如 脉冲信号，电机正转；当另一路（如 脉冲信 号，电机反转。 双 /单脉冲控制方式的设定可由驱动器面板 “ 双 /单脉冲 ” 开关实现。 3 3 X Y 工作台的定型 经过对 X Y 工作台的关键部件 滚珠丝杠和滚动直线导轨的设计及计算， 我们就可以根据丝杠和导轨的性能参数确定工作台的型号。 通过对南京顺康 数码科技有限公司（以下简称南京顺康）和苏州钧信自动控制有限公司（以 下简称苏州钧信）等几家生产工作台的厂家的对比，发现南京顺康各种档位 的工作台，而苏州钧信只提供高精度的工作台。根据实验的设计要求，我们 最终选择了南京顺康的产品，性价比较高的 X Y 工作台。其 外型尺寸均在附录三工作台的装配图中标出，技术指标如表 3示： 19 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 项 目 13 负载 定位精度 重复定位精度 台面运行平行度 运行直线度 X、 Y 运行直角度表 3作台技术指标 指 标 50 0 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 1步进电机种类选择 混合式步进电机：与其他两种类型的步进电机相比，混合式步进电机 具有高转矩、高精度、步距角小、运行性能好等有点。 2步距角选择 = 3600 * i 3600 *1 = 5 此式是步 距角 （ 0 ）的计算公式，式中 S 5 丝杠螺距； 冲为脉冲当量； i 1为电机与丝杠之间的齿轮传动比，由 于本系统对电机速度要求不高，没有采用齿轮减速器，故传动比值取 为 1。 4最大静态转矩 T j 选择 选择步进电机时，首先必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的 功率。所以，应先计算机械系统的负载转矩，且使步进电机的转矩大 于负载转矩，保证步进电机可靠运行。 ( F + ?W ) S *10?3 600 + 0 + 30 + 50) = 5*10?3 = m 2 i 2* 式中， 负载转矩（ F 为运动方向的阻抗切削力（ N），设 为 600N； ? 导轨摩擦系数； W 50 30 30 110及工作台重量（略去电机自重）； i 1 为系统的减速比。 3. 计算出的负载转矩 满足： 24 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 ( j 于相数较多、突跳频率要求不高时取系数大值；反 之取小值。由于 从步距角 的计算得知 为 需选取五相混合式步进电机，同时 对电机的突跳频率要求不高，故系数取为 上式我们可计算得 T j T j m 由以上分析计算，我们初选北京四通公司的五相混合式步进电机 90 4启动频率 f q 的选择 步进电机在带负载启动时， 其启动频率会降低。 由于我们搭建的运动 平台对负载能力要求不高，故可按 f 0.5 f q 估算启动频率 f q 。我 们要求 负载启动频率不超过 1 有 f q 2 选电机 f q 足要求。 进电机 步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定 速控制。 步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广 泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、 复印机、传真机等。永磁 式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为 或 15度；反 应式步进电机 14 一般为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为 ，但噪 声和振动都很大，在欧美等发达国家 80年代已被淘汰 。 混合式步进电机既有 永磁式步进电机特性，又有反应式步进电机的特性。一般来说，它又分为两 相和五相， 两相步距角一般为 。 相对来说， 混合式步进电机具有高精度、高转矩、步距角小的优点。这种步进电机的应 用范围很广，特别是在办公自动化和工厂自动化中得到广泛应用。 选择步进电机时，应根据总体设计方案的要求，在满足技术性能的前提 21 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 下，综合考虑步进电机的参数。 通常需要考虑的问题有：步进 电机的种类，步距角 ，最大静态转矩 T j 启动频率 f q 等的选择。 进电机 种类 步进电机分三种：永磁式（ 反应式（ 混合式（ 永磁 式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为 或 15度；反 应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为 噪 声和振动都很大，在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰；混合式步进电机既有 永磁式步进电机特性，又有反应式步进电机的特性。一般来说，它又分为两 相和五相， 两相步距角一般为 而五相步距角一般为 相对来说， 混合式步进电机具有高精度、高转矩、步距角小的优点。这种步进电机的应 用范围很广，特别是在办公自动化和工厂自动化中得到广泛应用。 选择步进电机时，应根据总体设计方案的要求，在满足技术性能的前提 21 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 下，综合考虑步进电机的参数。 通常需要考虑的问题有：步进电机的种类，步距角 ，最大静态转矩 T j 启动频率 f q 等的选择。 第 4 章 系统执行装置的设计与选择 4 1 步进电机的选择 向步进电机的选择 1步进电机种类选择 混合式步进电机：与其他两种类型的步进电机相比，混合式步进电机 具有高转矩、高精度、步距角小、运行性能好等有点。 15 步进驱动系统。 2步距角选择 = 3600 * i 3600 *1 = 5 此式是步距角 （ 0 ）的计算公式，式中 S 5 丝杠螺距； 冲为脉冲当量； i 1为电机与丝杠之间的齿轮传动比，由 于本 系统对电机速度要求不高，没有采用齿轮减速器，故传动比值取 为 1。 3最大静态转矩 T j 选择 选择步进电机时，首先必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的 功率。所以，应先计算机械系统的负载转矩，且使步进电机的转矩大 于负载转矩，保证步进电机可靠运行。 22 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 ( F + ?W ) S *10?3 600 + 0 + 50) = 5*10?3 = m 2 i 2* 式中， 负载转矩（ F 为运动方向的阻抗切削力（ N），设 为 600N； ? 导轨摩擦系数； W 50 30 80工件及工 作台重量（略去电机自重）； i 1为系 统的减速比。 计算出的负载转矩 满足： ( j 于相数较多、突跳频率要求不高时取系数大值；反之取小值。由于 从步距角 的计算得知 为 需选取五相混合式步进电机，同时 对电机的突跳频率要求不高，故系数取为 上式我们可计算得 T j T j m 由以上分析计算，我们初选北京四通公司的五相混合式步进电机 90 4启动频率 f q 的选择 步进电机在带负载启动时， 其启动频率会降低。 由于我们搭建的运动 平台对负载能力要求不高，故可按 f 0.5 f q 估算启动频率 f q 。我 们要求负载启动频率不超过 1 有 f q 2 选电机 f q 足要求。 向步进电机的选择 1步进电机种类选择 混合式步进电机：与其他两种类型的步进电机相比，混合式步进电机 具有高转矩、高精度、步距角小、运行性能好等有点。 2步距角选择 = 3600 * i 3600 *1 = 5 此式是步距角 （ 0 ）的计算公式，式中 S 5 丝杠螺距； 冲为脉冲当量； i 1为电机与丝杠之间的齿轮传动比，由 于本系统对电机速度要求不高，没有采用齿轮减速器，故传动比值取 为 1。 4最大静态转矩 T j 选择 选择步进电机时，首先必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的 功率。所以，应先计算机械系统的负载转矩，且使步进电机的转矩大 于负载转矩，保证步进电机可靠运行。 ( F + ?W ) S *10?3 600 + 0 16 + 30 + 50) = 5*10?3 = m 2 i 2* 式中， 负载转矩（ F 为运动方向的阻抗切削力（ N），设 为 600N； ? 导轨摩擦系数； W 50 30 30 110及工作台重量（略去电机自重）； i 1 为系统的减速比。 3. 计算出的负载转矩 满足： 24 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 ( j 于相数较多、突跳频率要求不高时取系数大值；反之取小值。由于 从步距角 的计算得知 为 需选取五相混合式步进电机，同时 对电机的突跳频率要求不高，故系数取为 上式我们可计算得 T j T j m 由以上分析计算，我们初选北京四通公司的五相混合式步进电 机 90 4启动频率 f q 的选择 步进电机在带负载启动时， 其启动频率会降低。 由于我们搭建的运动 平台对负载能力要求不高，故可按 f 0.5 f q 估算启动频率 f q 。我 们要求负载启动频率不超过 1 有 f q 2 选电机 f q 足要求。 选电机类型 通过以上的分析计算，我们最终选择了北京四通公司的五相混合式步进 电机，型号为90技术数据见表 4 25 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 相数 步距角 （ 0） 静态相电流 （ A） 相电阻 （ ?） 相电感 保持转矩 （ （ 空载启动 频率（ 位转矩 （ 重量 （ 动惯量 （ ） 4500 4相混合式步进电机 904 2 步进电机驱动器的选择 进电机驱动部分的组成 步进电机驱动器和步进电机共同组 成了一套步进驱动系统，步进电机驱 动器的作用是根据接收到的脉冲信号（来自运动控制卡或是单片机等） ，产 生多拍节脉冲驱动信号控制步进电机旋转。 步进电机驱动器的驱动部分由两部分组成：脉冲信号分配电路，功率驱 动电路，其驱动框图如图 4 图 4动器工作框图 1脉冲分配电路 脉冲分配电路也称脉冲分配器，它的功能是将来自控制环节的的指令脉 26 山东建筑大学网络教育学院毕业论文 17 冲按着一定的顺序和分配方式，分配给步进电机各绕组，使其按事先规定的 时间顺序通、 断电。 由于分配器是周而复始的 重复进行， 故又称环形分配器。 步进电机的相数和运行方式不同