步进电机的应用

原理原理 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元 件 在非超载的情况下 电机的转速 停止的位置取决于脉冲信号 的频率和脉冲数 而不受负载变化的影响 即给电机加一个脉冲信 号 电机则转过一个步距角 这一线性关系的存在 加上步进电机 只有周期性的误差而无累积误差等特点 使得在速度 位置等控制 领域用步进电机来控制变的非常的简单 虽然步进电机已被广泛应用 但步进电机并不能象普通的直流 电机 交流电机在常规下使用 它必须由双环形脉冲信号 功率驱 动电路等组成控制系统方可使用 因此用好步进电机却非易事 它 涉及到机械 电机 电子及计算机等许多专业知识 特点特点 1 1 过载性好过载性好 其转速不受负载大小的影响 不像普通电机 当负载加大时就 会出现速度下降的情况 所以步进电机使用在对速度和位置都有严 格要求的场合 2 2 控制方便控制方便 步进电机是以 步 为单位旋转的 数字特征比较明显 这样 就给计算机控制带来了很大的方便 反过来 计算机的出现也为步 进电机开辟了更为广阔的使用市场 3 3 整机结构简单整机结构简单 传统的机械速度和位置控制结构比较复杂 调整困难 使用步 进电机后 使得整机的结构变得简单和紧凑 应用应用 1 1 电子钟表中的应用 电子钟表中的应用 石英钟表主要由石英谐振器 集成电路 步进电机 用于指针 式 液晶显示屏 用于数字式 手表电池或交流电源组成 此外 还包括导电橡胶 微调电容 照明灯泡 蜂鸣器等元件 指针式石英手表中 为了把电信号转变为指针的转动来指示时 间 采用了作为换能器的微型步进电机以及齿轮传动系统 石英钟的石英振荡器多数采用具有较好温度频率特性的 4 19MHz 的石英谐振器 也有采用 32768Hz 石英谐振器的 钟内经 常附加音乐报时等功能 步进电机具有较大的输出力矩等 这些都 是为了适应石英钟钟面较大 使用环境复杂等情况而设计的 在指 针式石英钟表内 步进电机作为换能器 把秒脉冲信号变成机械轮 系的转动 带动指针指示时间 步进电机的特点是低功耗 小体积 转换效率高 结构简单 常用钟表步进电机有双偏心式 单偏心式 双凹坑式和单凹坑式等径向充磁的单相永磁步进电机 另外还有轴 向充磁的双定子式步进电机 其中双凹坑式的定子做成一体 结构 简单 耗电量小 应用较广 石英钟用步进电机比石英手表的体积 稍大 耗电较多 有较大输出力矩 步进电机的转子磁钢采用矫顽力 大 剩磁密度大的合金材料如钐钴合金等 定子常用坡莫合金 线 圈多采用小线径高强度漆包线 2 2 工业机器手中的应用工业机器手中的应用 工业机械手是一种模仿人手动作 并按设定的程序 轨迹和要 求代替人手抓取 搬运工件或操持工具进行操作的机电一体化自动 化装置 步进电机是一种将脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元 件 步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比 其速度与单位 时间内输入的脉冲数 即脉冲频率 成正比 其转向与脉冲分配到步 进电机的各相绕组的相序有关 所以只要控制指令脉冲的数量 频 率及电机绕组通电的相序 便可控制步进电机的输出位移量 速度 和方向 步进电机具有较好的控制性能 其启动 停车 反转及其 它任何运行方式的改变都可在少数脉冲内完成 且可获得较高的控 制精度 因而得到了广泛的应用 控制系统中 PLC 用来产生控制脉冲 通过 PLC 编程输出一定数 量的方波脉冲 控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量 同时通过编程控制脉冲频率进而控制伺服机构的进给速度 环行脉 冲分配器将可编程控制器输出的控制脉 按步进电机的通电顺序分配 到相应的绕组 环行脉冲分配器可分为软件环形分配器和硬件环形 分配器 软件环形分配器 即 PLC 利用软件编程达到轮流输出信号 对于功率步进电机要求几十至上百伏特 几安至十几安的驱动能力 因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大 用 PLC 控制三相步进电 机的方法简单易行 可靠性高 由于采用了 PLC 控制步进电机技术 所以改变控制参数相当方便 只需改变 PLC 程序中相应部分即可 对任何相数的步进电机都可以使用 在设计方法上简单易行 减少 占用 PLC 的 I 0 口 与 PLC 接口时比较方便 这样在 PLC 控制步进 电机的控制系统中不仅减少了控制系统设计的工作量 大大缩短开 发研制周期和节约了开发费用 而且提高了控制系统的柔性和可靠 性 具有较高的推广和实用价值 3 包装机械中的应用 步进电机控制齿轮泵也可以实现精确计量 齿轮泵在输送粘稠 体方面得到了广泛的应用 例如糖浆 豆沙 白酒 油料 番茄酱 等的输送 齿轮泵计量是靠一对齿轮啮合转动计量的 物料通过齿与齿的 空间被强制从进料口送到出料口 动力来自步进电机 步进电机转 动的位置及速度由可编程控制器控制 计量精度高于活塞泵的计量 精度 步进电机适于在低速下运行 当速度加快时 步进电机的噪 声会明显加大 其它经济指标会显著下降 对于转速比较高的齿轮 泵来说 选用升速结构比较好 我们在粘稠体包装机上开始采用的 是步进电机直联齿轮泵的结构 结果噪声难以避免 可靠性下降 后来采用直齿轮升速的办法 降低了步进电机的速度 噪声得到了 控制 可靠性也有所提高 计量度得到了保证 在制袋 充填 封口为一体的包装机中 要求包装用塑料薄膜 定位定长供给 无论间歇供给还是连续供给 都可以用步进电机来 可靠完成 采用步进电机与拉带滚轮直接连接拉带 不仅结构得到 了简化 而且调节极为方便 只要通过控制面板上的按钮就可以实 现 这样既节省了调节时间 又节约了包装材料 在间歇式包装机 中 包装 材料的供送控制可以采用两种模式 袋长控制模式和色标控制模式 袋长控制模式适用于不带色标的包装膜 通过预先设定步进电机转 速的方法实现 转空比的设定通过拨码开关就可以实现 色标模式 配备有光电开关 光电开关检测色标的位置 当检测到色标时 发 出控制开关信号 步进电机接到信号后 停止转动 延时一定时间 后 再转动供膜 周而复始 保证按照色标的位置定长供膜 横封 轮每转一周的总时间与横封所需要的时间都是恒定的 要满足速度 同步的要求 可以将步进电机一周内的转速分成两部分 一部分首 先满足速度同步的要求 而另外空载的部分满足一周总时间的要求 为了实现良好的封口质量 还可以通过步进电机对横封轮实现非衡 速的控制模式 就是在横封的每一点上都实现速度同步 4 4 矿井提升中的应用矿井提升中的应用 由于步进电机独特的优点 步进电机是将电脉冲信号转变为角 位移或线位移的开环控制元件 在非超载的情况下 电机的转速 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数 而不受负载变化的 影响 即给电机加一个脉冲信号 电机则转过一个步距角 这一线 性关系的存在 加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特 点 使得在速度 位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简 单 作为一种把数字电脉冲信号转换成机械角位移的机电元件 步 进电机具有控制简单 功率大 维护容易 定位精度高 可靠性好 体积小 骄动系统多达 32 种选择 并且价格低 无累积位置误差 可自锁 控制成本低等特点而得到广泛应用 再加上利用现在比较 成熟的微机技术中单片机的应用控制 可以轻松实现自动控制 以 上特点完全符合微拖的要求 并且可以实现矿井提升系统的自动控 制 实现无人值守提升系统 矿井提升中步进电机的控制过程是这样的 首先提升机减速接 近爬行阶段 速度降至 3m s 左右时 由自动控制系统自动接通电 磁阀 电磁阀杆在电磁力的作用下克服阀杆下端弹簧的弹力下移 使压缩空气由 A 腔进入 B 腔 通过减速器的空心轴进入气囊离合器 使微拖装置与主机连接起来 当速度继续降至爬行速度时 通过控 制电路切断主电动机动力制动电源 提升机改由步进电机拖动进行 平稳的低速爬行 提升容器到达终点 进行卸载时 控制电路使电 磁阀断电 步进电机与主机脱离 完成一次爬行过程 接下来进行 下一周期的工作 通过改进 大大提高卸载时事故的发生率 提高 煤矿生产的安全 并且为煤矿后来进行自动化生产建立基础 5 5 汽车测试中的应用汽车测试中的应用 许多汽车制动元件的检测 例如液压制动系中制动主缸助力器 总成的检测 气压制动系中气制动阀的检测 在测试系统中需要用 到电机推动滚珠丝杠来模拟在实际汽车制动时踩下制动踏板进行制 动的过程 滚珠丝杠推动主缸或者制动阀使其达到汽车制动时所需 要的各种工作状态 以便来测试各种性能 而步进电机由于角位移 与输入脉冲严格成正比关系 在其运动过程中没有累计误差 跟随 性良好 因此选择步进电机是汽车制动元件测试系统中性能较好的 执行元件 系统硬件组成有位移传感器 力传感器 步进电机 控 制核心采用工控机和数据采集卡 步进电机通过联轴器驱动滚珠丝杠组成加力装置 力传感器安 装在丝杠顶杆前端 用于测量步进电机输出力矩 被测试件输入力 的大小 数据经由 A D 转换送工控机处理 工控机控制步进电机的 启动 前进 后退 停止 并按测试程序控制前进和后退的速度 同时由位移传感器测量出步进电机的位移量 并将力和位移的相应 数据通过显示器表示出来 根据相关行业标准来判断气制动阀的合 格与否 一般采用软件延时的方法来对步进电机的运行速度 步数及方 向进行控制 根据计算机所发出脉冲的频率和数量所需的时间来设 计一个子程序 该子程序包含一定的指令 设计者通常要对这些指 令的执行时间进行严密的计算或者精确的测试 以便确定延时时间 是否符合要求 每当子程序结束后 可以执行下面的操作 采用软 件延时方式时 CPU 一直被占用 CPU 利用率低 这在许多场合是非 常不利的 因此需要重新设计对步进电机的控制程序 采用 PCL 812PG 数据采集卡 利用 812PG 卡中自带可编程计数 定时器 8254 及其他逻辑电路器件设计一种步进电机控制方式 仅需要几条简单 的指令就可以产生具有一定频率和数目的脉冲信号 可编程的硬件 定时器直接对系统时钟脉冲或某一固定频率的时钟脉冲进行计数 计数值则由编程决定当计数到预定的脉冲数时 给出定时时间到的 信号 得到所需的延时时间或定时间隔 由于计数的初始值由编程 决定 因而在不改动硬件的情况下 只通过程序的变化即可满足不 同的定时和计数要求 因此使用很方便 前景前景 步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式 混合式和爪 极结构的永磁式三类 爪极电机价格便宜 性能指标不高 混合式 和磁阻式主要作为高分辨率电动机 由于混合式步进电动机具有控 制功率小 运行平稳性较好而逐步处于主导地位 最典型的产品是 二相 8 极 50 齿的电动机 步距角 1 8 0 9 全步 半步 还有五相 10 极 50 齿和一些转子 100 齿的二相和五相步进电动机 发展趋势之一 是继续沿着小型化的方向发展 发展趋势之二 是改圆形电动机为方形电动机 发展趋势之三 对电动机进行综合设计 发展趋势之四 向五相和三相电动机方向发展 心得心得 通过步进电机的应用 让我徐学到了很多知识 通过这次作业 使我对步进电机有了更进一步的了解 步进电机在现在工业中有着 重要的作用 当然 我们现在对步进电机只不过是一个初步的了解 还有更多的知识等着我们去学习 在这短暂的学习和查找中 我学 会了步进电机的一些基本的理论和应用 通过对步进电机的学习 使我对综合运用步进电机及其他相关 的知识有了进一步了解 学会了用所学理论知识指导实