毕业设计说明书_基于直线步进电机的三自由度机械臂设计

18710754489赵中越郑州科技学院毕业设计（论文）设计（论文）题目：基于直线步进电机三自由度机械臂设计 所 在 系 ： 机械工程系 专 业 名 称 ： 机械制造与自动化 学 生 姓 名： 王浩 学 号： 200624130 指 导 教 师： 2009年 3 月 30 日 郑州科技学院机械工程系毕业设计说明书设计题目: 基于直线步进电机的三自由度机械臂设计 学生姓名： 王浩 学 号： 专业班级： 指导教师： 2009 年 3 月 30日 摘 要本文对步进电机的工作原理和运动控制做了阐述，对如何防止步进电机失步和过冲做出了系统说明，并深入研究了步进电机在升降速过程中脉冲频率曲线的设计和他们的优缺点；认真研究了步进电机细分控制的原理，然后给出了具体的实现方法。 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。虽然步进电机已被广泛地应用，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。关键词: 步进电机 驱动器 结构原理 驱动方式 abstractIn this paper, the working principle of stepper motor and motion control to do the explanation on how to prevent out-of-step stepper motor and the overshoot to the system descriptions and in-depth study of the stepper motor speed at take-off and landing during the pulse frequency curve of the design and their advantages and disadvantages; carefully studied the breakdown of stepper motor control theory, then give a specific method of implementation. Stepper motor is the electric pulse signal into an angular displacement or linear displacement of the open-loop control components. In the non-overloaded case, motor speed, and stop depending on the location of only pulse frequency and pulse number, free from the impact of changes in load, that is, to add a pulsed electrical signal, then turn a motor step angle. The existence of this linear relationship, together with the stepper motor only cyclical error without accumulative error and so on. Made in terms of speed, position control, such as stepper motor used to control the change very easy.Although the stepper motor has been widely applied, but the stepper motor is not as common DC motor, AC motor in the conventional use. It must be from a dual Ring pulse signal, power driver circuit, such as control system components may use. So make good use of stepper motor is not an easy task, which involves mechanical, electrical, electronic and computer expertise. Keywords: stepper motor drives the structure of the principle-driven approach 目 录摘 要3abstract4目 录5序言71方案说明：91.1 课题研究现状及研究意义91.1.1直线步进电机的研究现状91.1.2研究意义101.2总体介绍101.3 设计要求111.3.1工作环境要求111.3.2直线步进电机自身特点121.3.3直线步进电机工作特点131.3.4直线步进电机技术概述142 原理及结构设计182.1直线步进电机的原理182.1.1感应子式步进电机工作原理202.2.2、感应子式步进电机222.2步进电机的选用262.2.1 步进电机的应用262.2.2、步进电机的选择282.2.3、应用中的注意点302.3电机调速的功率控制原理312.3.1、功率控制与转矩控制312.3.2、功率控制的方法与性能342.3.3、功率控制的理想空载转速，效率与机械特性382.3.4、异步机调速分类与方法392.3.5、结论403步进电机驱动器403.1细分电机驱动电路413.1.1、步进电机细分原理413.1.2、步进电机细分倍数与定位精度的关系423.2基于AT89C2051的步进电机驱动器系统电路原理443.3、直线步进电机在自动生化分析仪上的应用454驱动控制系统474.1、驱动控制系统组成474.1.1脉冲信号的产生及分配484.1.2功率放大系统48图36电压与力矩的关系 4.1.3细分驱动器494.2关于驱动控制系统的研究504.2.1电机驱动程序的具体设计与实现504.2.2电机驱动方式53结论：55致谢：56参考文献57序言步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机样品 上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。到了80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。 步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。 步进电机驱动器步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。 步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。1方案说明：本章概要：本章对国内外直线步进电机设备的研制状况、步进电机设备的生产使用方法进行了简要介绍，提出了该课题研究的意义、价值。进而介绍了该课题研究的总体内容，对设计应满足的目标进行了说明。1.1 课题研究现状及研究意义1.1.1直线步进电机的研究现状八十年代前后时期：我国步进电机产品八十年代以前一直以定子六极转子四十齿的三相磁阻式步进电机为主，另外有定子十极转子一百齿的五相磁阻式步进电机和其它的一些品种。八十年代开始发展的混合式步进电机，则是以定子八极转子五十齿的二相(四相)混合式步进电机为主，一九八七年开始生产定子十极转子五十齿的五相混合式步进电机，同时还发展了一些不同于国外的产品，例如定子八极转子六十个齿的二相(四相)混合式步进电机，转子一百齿的三相、九相混合式步进电机，转子两百齿的五相混合式步进电机等。从上述进程可以看出，步进电机产品种类繁多混杂，对产业的长远发展十分不利。 微步驱动技术突破时期：步进电机属于增量运动控制器件，微步驱动技术快速发展使其分辨率大大提高，已经达到接近连续运动控制器件的状态，步进电机具有了“类伺服”特性。微步驱动技术实际上就是电流波形控制技术，传统的步进电机驱动器仅对相绕组的电流进行通断控制，在转子齿数一定的条件下，只有增加了相数才能增加电机的分辨率，例如五相混合式步进电动机，因为比两相混合式步进电机相数多，分辨率更高，就形成独立的系列产品。而在电流波形控制技术日趋成熟的今天，只须增加两相步进电机电流波形的阶梯数，就可以使分辨率达到与五相步进电机一样的程度，为统一步进电机的相数创造了技术条件。 步进电机品种趋于统一的新时期：随着步进马达IC技术在大功率和高集成度方面出现突破，例如德国TRINAMIC运动控制系列产品中的马达IC产品；东芝公司二零零八年开始主推的TB6560AHQ步进马达驱动芯片产品；在TB6560AHQ基础上开发的步进马达IC产品THB6064H、THB6016H等；马达IC技术突破将使步进电机驱动技术的应用空间出现大幅度提升。 中国步进电机网将不断推动加速使步进电机产品种类趋于统一问题的探讨，促进步进新技术产品的应用和推广。1.1.2研究意义步进电机是一种将电能转变为动能的基本部件，它在多种机电设备中得到了广泛地应用，如工业生产中的各种机床、生产线上的传送带、农业生产中的灌溉机械、粉碎机等。如今，随着控制技术的发展与完善，对步进电机的控制方法也层出不穷，从早期纯粹依赖电路设计控制，到如今的计算机、PLC等先进控制方式的涌现，大大提供了步进电机的控制精度和设计的简单性、灵活性，因而也促进了步进电机在生产中获得更加广泛地应用。晶体生长控制系统是一种高精度的控制系统，其中对晶体生长过程中坩埚的升降、旋转和耔晶杆的升降的控制尤为重要。同时，晶体生长控制系统具有控制速度范围要求广、低速段的速度要求低（一般低速与高速之比超过10000倍以上）等特点。因此，在设计这种控制系统时，就要充分利用硬件和软件资源，来达到良好的控制功能。1.2总体介绍 步进电机是由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动，直线步进电机在电机内部把旋转运动转化为线性运动。直线步进电机，或称线性步进电机，首先出现在美国1968年的第3，402，308号专利上，是颁发给William Henschke的，从此以后，直线步进电机被广泛应用于包括制造、精密校准、精密流体测量、精确位置移动等诸多高精度要求领域。直线步进电机的基本原理是采用一根螺杆和螺母相啮合，采取某种方法防止螺杆螺母相对转动，从而使螺杆轴向移动。一般而言，目前有两种实现这种转化的方式，第一种是在电机内置一个带内螺纹的转子，以转子的内螺纹和螺杆相啮合而实现线性运动，第二种是以螺杆作为电机出轴，在电机外部通过一个外部驱动螺母和螺杆相啮合从而实现直线运动。这样做的结果是大大简化了设计，使得在许多应用领域中能够在不安装外部机械联动装置的情况下直接使用直线步进电机进行精密的线性运动。图1 一个典型的固定轴直线步进电机示意图由与螺杆相比，驱动螺杆的螺母显得更为重要，直线步进电机采用的是青铜注塑内螺纹转子，这种综合考虑了物理稳定性和润滑性能的专利产品，在具有低摩擦系数的同时又有相当优异的热膨胀性能。两方面的优异性能，保证了直线步进电机的高寿命。下图是以青铜材料为参照的电机寿命曲线。图2 电机寿命曲线图1.3 设计要求1.3.1工作环境要求1、步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。 2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。 4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。 5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。 6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。 7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。 8、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。1.3.2直线步进电机自身特点1、可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。 2、位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度的组成闭环控制系统。3、无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 4、易于起动，停止，正反转及速度响应性好。 5、停止时可有自锁能力。 6、步距角可在大范围内选择，在小步距情况下，通常可以在超低转速下高转距稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。 图3电机内部简图7、速度可在相当宽范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。 8、步进电动机带惯性负载能力较差。 9 、由于存在失步和共振，步进电机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。 10、需要专用的伺服控制器控制，不能直接使用普通的交直流电源驱动。图4电路控制图1.3.3直线步进电机工作特点1一般步进电机的精度为步进角的35，且不累积。 2步进电机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 1.3.4直线步进电机技术概述步进电机由旋转运动转变为线性运动可用几种机械方法完成，包括齿条和齿轮传动及皮带和皮带轮传动以及其他机械联接机构。所有这些设计都需要各种机械零件。完成这个转变的最有效方法是在电机自身内进行。基本的步进电机是由有磁性的转子铁芯通过与由定子产生的脉动的定子电磁场相互作用而产生转动。直线电机把旋转运动转变为线性运动，完成这个转变的精密性取决于转子的步进角度和所选方法。线性步进电机，或者称为直线步进电机，首先出现在1968年的第3,402,308号专利上，是颁发给William Henschke的。从此以后，直线步进电机在许多要求极高的领域有了用武之地。包括制造应用、精密调准和精密流体测量在内的诸多高要求领使用螺纹的直线电机精密度，取决于它的螺距。在直线电机的转子中心安装一个螺母，相应地一个螺杆与此螺母啮合，为使螺杆轴向移动，必须用某种方法来防止螺杆与转子组件一同转动。由于螺杆转动受到制约，当转子旋转时，螺杆实现了线性运动。无论是在电机内部用固定螺纹轴组件还是在外部的螺纹轴上使用不能旋转但轴向可自由移动的螺母，都是实现转动约束的典型方法。为简化设计，在电机内部实现线性变换是有意义的。该方法极大地简化了设计，使得在许多应用领域中能够在不安装外部机械联动装置的情况下直接使用直线电机进行精密的线性移动。最初的直线电机采用了一个滚珠螺母和丝杆的结合体。滚珠丝杆提供了90%以上的效率，而根据螺纹条件，梯形螺纹提供的效率仅有20%70%。 尽管滚珠丝杆对转换旋转运动为线性运动是一个高效的方法，但是滚珠螺母很难校准，而且体积庞大，费用昂贵。因此，在大多数应用领域中，滚珠丝杆并非是一个实际的解决方法。 大多数设备设计人员对以直线电机为基础的混合式步进电机是熟悉的。该产品有多年的历史了，与其它设备一样它有其自己的长处和局限性。设计简便、紧凑、无电刷（因此无火花）、惊人的机械优点、设计的实用性以及可靠性是它与生俱来的优点，然而在某些情况下，此直线电机不能用于某些设备，因为在没有日常维护的条件下它是不能保证耐久的。然而，有几种方法克服了这样的障碍，使直线电机具有高的耐久性且不用维护，由于步进电机的无电刷设计，产生磨损的唯一部件是转子轴承以及由导向螺杆/螺母组成的螺纹接合。滚珠轴承几年来的改进已经提供了适合直线运动的长寿命类型。最近导向螺杆和螺母组合的寿命和耐用性都有了改进。 习惯上，直线电机使用由一轴承级金属材料（如青铜）加工成的一个空心轴，该空心轴具有内螺纹然后与螺纹导杆连接。该空心轴沿转子轴线安装。导杆材料通常为不锈钢，它具有某种防腐蚀性能。大多数零件所用螺纹的型式是加工螺纹（如#10-32），此螺纹有单头或多头，这取决于电机所需的分辨率和速度。 图5转子结构加工螺纹一般选择“V”形螺纹，这是由于其容易加工和轧制成形。虽然这对加工来说是一个合适的选择，但对动力的传输却不利。梯形螺纹更为合适，对此有几个理由。 图6螺纹结构梯形螺纹的设计更为有效。比较好的效果是其损耗小，包括摩擦，这就意味着磨损少和使用寿命长。查看一下螺纹的基本几何形状就很容易进行解释。“V”形螺纹的相对面之间有一个60度角，而梯形仅有29度角。假定摩擦、扭矩和螺纹角相同，“V”形螺纹能传送的力约为梯形螺纹的85%。用方程式1和2可以求出效率，因为使用的螺纹是V形的，取决于负载方向。60度螺纹的效率除以29度螺纹效率就能计算出比率。 效率计算没有考虑。在“V”形螺纹表面上的压力要高的多的情况，此高压力会进一步增加的损耗。 梯形螺纹导杆一般是为传送动力而制作的，所以应该严格关注表面光洁度、螺距精度和公差。“V”形螺纹基本上用于紧固螺纹，所以其表面光洁度和直线性并不严格控制。 同样，甚至更重要的是驱动螺杆的螺母，该螺母通常是嵌入电机转子中的。通常螺母材料是轴承级的青铜在其自身进行内加工螺纹，它综合考虑了物理稳定性和润滑性。当然，说它是综合考虑是因为它在两方面都不是完美的。直线电机中驱动螺母的较好材料是自润滑的热塑性材料。这是因为用新的工程塑料能使螺杆螺母运动摩擦系数降低。图7是不同内螺纹转子材料的摩擦性能的比较。 图7 青铜与工程塑料的摩擦性能结果很明显，但为何不用塑料的驱动螺母？对螺纹来说塑料是好的，但对于混合式电机中的转子轴颈来说却不够稳定。由于电机的温度在运行时可能升至167F，在这种情况下塑料的膨胀量可能达到0.004英寸，但黄铜在同样热条件下仅膨胀0.001。见图8 图8 热膨胀比较轴承轴颈在混合式电机设计中是严格要求的，为了达到最佳性能，混合式电机在设计时必须保持千分之几英寸的转子铁芯外径和定子内径之间的空隙。如果转子装配不同心则将与定子壁摩擦。通过材料的选择，设计人员希望在螺纹寿命和轴承轴颈耐久性两方面都具有优势。在金属转子组件内注入模压塑料螺纹，在两方面都取得最佳效果。 该结构极大地提高了运行寿命、效率及安静性。电机寿命比在其它电机中使用的常规青铜螺母结构提高了10100倍，且不需要维护保养，免维护 终生润滑。 一种专门配制的高性能合成油脂给予了海顿电机以不需再加润滑油的特殊的耐久性，润滑剂具有特殊的温度特性，范围从-65（-85F）250（482F）。该润滑剂不易燃，具有化学惰性和低气化压力，对灵敏仪表的污染程度也很低。 图9轴承图10 试验表明HSI混合式直线电机的超长寿命2 原理及结构设计 2.1直线步进电机的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。虽然步进电机已被广泛地应用，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。目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。图11 四相步进电机步进示意图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相 绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。 当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图12.a、b、c所示：a. 单四拍b. 双四拍c.八拍图12.步进电机工作时序波形图2.1.1感应子式步进电机工作原理一、反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。1、结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1） 图13定转子展开图2、旋转：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A， C，B，A通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出：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。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。3、力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力F与（d/d）成正比 S 其磁通量=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=NI/R NI为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。2.2.2、感应子式步进电机1、特点：感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C=,D=. 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。2、分类感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG(BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。3、步进电机的静态指标术语相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。4、步进电机动态指标及术语：（1）、步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。（2）、失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。（3）、失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。（4）、最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。（5）、最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。（6）、运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图所示： 图14电机输出力矩与频率关系的曲线其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。 图15电机动态力矩与频率关系曲线其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。 要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。（7）、电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为 0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 （8）、电机正反转控制：当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA或()时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB或()时为反转。2.2步进电机的选用2.2.1 步进电机的应用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。 选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。 选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。选择步进电机需要进行以下计算：（1）计算齿轮的减速比根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下:i=(.S)/(360.)(1-1)式中-步进电机的步距角（/脉冲）S-丝杆螺距（mm)-(mm/脉冲）（2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。Jt=J1+（1/i)(J2+Js）+W/g（S/2)（1-2）式中Jt-折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s)J1、J2-齿轮惯量(Kg.cm.s)Js-丝杆惯量(Kg.cm.s)W-工作台重量（N）S-丝杆螺距（cm）（3）计算电机输出的总力矩MM=Ma+Mf+Mt（1-3）Ma=（Jm+Jt).n/T1.0210（1-4）式中Ma-电机启动加速力矩（N.m)Jm、Jt-电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s)n-电机所需达到的转速（r/min）T-电机升速时间（s）Mf=(u.W.s)/(2i)10（1-5）Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m)u-摩擦系数-传递效率Mt=(Pt.s)/(2i)10（1-6）Mt-切削力折算至电机力矩（N.m)Pt-最大切削力（N）（4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）(1+Jt/Jm)1/2（1-7）式中fq-带载起动频率（Hz）fq0-空载起动频率Ml-起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m)若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算.（5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。（6）负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.20.4)Mmax.2.2.2、步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1、步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。2、静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）3、电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压） 图16电机的选用步骤4、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P= M =2n/60 P=2nM/60其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米P=2fM/400(半步工作）其中f为每秒脉冲数（简称PPS)2.2.3、应用中的注意点1、步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机。5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话。7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。8、电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。9、应遵循先选电机后选驱动的原2.3电机调速的功率控制原理电机调速实质探讨，是关系到近代交流调速发展重要理论问题。随着近代变频调速矢量控制及直接转矩控制等调速控制理论提出和实践，很多有关文献和论著都把调速转矩控制确认为调速普遍规律，并提出调速实质和关键电磁转矩控制。然而，这种观点尚缺乏理论和实践证明，值商榷。本根据电机功率转换普遍原理，提出并证明恒转矩调速实质电机轴功率控制，转速调节是功率控制响应，其关键为如何电功率控制轴功率。转矩控制仅适于恒功率调速，它电机调速局部，而调速普遍规律。变频调速所依据是转矩控制，实际执行却是功率控制，因此才没有影响到应用的正确性。2.3.1、功率控制与转矩控制根据机电能量转换原理，凡电动机都可划分为主磁极和电枢两个功能部分。主磁极作用是建立主磁场，电枢则是与磁场相互作用将电磁功率转换为轴功率。直流电动机主磁极和电枢结构鲜明，功能独立，无疑符合以上定义。而交流（异步）电动机通常以定子、转子划分构成，需加说明。所述电枢定义，异步机轴功率产生于转子，异步机真正电枢是转子。问题定子，定子励磁产生主磁场，故定子是主磁极。另，定子又电磁感应为电枢（转子）输送电磁功率，却不产生轴功率，定子又具有电枢部分特征，这里我们把它称为伪电枢。定子这种复合功能，是异步机区别于直流机主要特征。从电枢输出角度观察，电动机轴功率与电磁转矩机械转速关系为：M()或M（）公式（）给出了电机转速与轴功率和电磁转矩间量值关系以外，同时表明，电机转速最终只能轴功率或电磁转矩两种控制获调节，前者简称功率控制，后者简称转矩控制。.功率控制功率控制是以轴功率M为调速主控量，作用对象必然是电枢或伪电枢。电磁转矩调速稳态时，取决于负载转矩大小。即fz()当负载转矩一经为客观工况所确定之后，电磁转矩就唯一被决定了，电磁转矩与调速控制无关，不能随意改变其量值。电磁转矩对转速作用表现调速过渡过程，转矩变化是转速响应滞后结果，此时，功率控制造成电磁转矩响应。设电机调速前稳态转速为1，轴功率为M1，调速后稳态转速为2，相应轴功率变为M2。电磁转矩：M(）故调速时，电磁转矩变为：M2受惯性作用，0调速瞬时1，故M21t=0此时电磁转矩将与原来电磁转矩1M11不等，转矩平衡被破坏并产生动态转矩，电机转速动态转矩作用下开始由1向2过渡，其变化规律为：1（12）/T2（）电磁转矩则为：M2（12）/T2时间增大，动态转矩减小，直至电磁转矩与新负载转矩平衡，即：M22fz，转速稳定2不变，电机调速结束。上述调速过程可以由图17的框图说明 图17功率控制调速流程功率控制作用是电枢，主磁场或主磁通量保持不变，根据电机理论，电机的额定电磁转矩正比于主磁通量，受限于电枢最大载流量。因此功率控制调速时，电机的额定电磁转矩输出能力不变，属于恒转矩调速。.转矩控制公式（），电机转速在轴输出功率不变前提下，与电磁转矩成反比。由于受电磁转矩以额定转矩为上限约束，转矩控制实际上只能在额定转矩以下实现，因此属于恒功率调速。电磁转矩独立控制方法主要依据转矩公式：MmS（直流机）()或Mm2COS2（交流机）()受控的物理量为主磁通m，由于主磁通量m产生于主磁极，因此转矩控制实际上是磁场控制，作用对象为主磁极。转矩控制调速同样要保证稳态时的转矩平衡，即：fz由于调速稳态时，电磁转矩发生了变化，因此要求负载转矩适应于电磁转矩变化，即要求负载跟踪电机。转矩控制实际是弱磁调速，主要用于额定转速以上的调速。鉴于本文重点讨论的是功率控制，故不赘述。2.3.2、功率控制的方法与性能电机调速的轴功率控制只能通过电功率间接控制来实现。以异步机为例，图18是其等效三端口网络。图18.异步机等效网络其中电枢（转子）除产生轴功率输出外，还产生以感应电压2和电流2为参量的电功率响应。由于该功率与转差率成正比，故称转差功率，其端口简称s口。如果电机转子为笼型，其绕组呈短路状，s口为封闭不可控。反之为绕线型，s口则是开启可控，转子可以s口输出或输入电功率。由此可见，异步机的功率控制调速有两种方式，一种是通过伪电枢间接对电枢实现轴功率控制；另一种是通过s口直接控制电枢轴功率。前者主要适用于笼型异步机，后者则适用于绕线型异步机。.定子伪电枢功率控制。 图19.异步机定子功率控制调速作为伪电枢，定子向电枢（转子）传输电磁功率：em11（）电枢轴功率则为：Mem2()故M1（12）(10)可见，控制伪电枢输入功率1或增大其损耗1就可以控制电枢轴功率，后