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1、河南机电高等专科学校毕业论文1绪绪 论论本次设计完成冲床自动控制系统的总体设计，包括机械的尺寸设计、机械的主 要零件和组成部分及在机体上结构位置设计、激振源的确定及计算（振动电机） 、悬 挂弹簧设计、机械结构的动力学分析，包括机械的运动学参数确定（振动方向角、 振幅、振动圆频率等） 、物体在槽体上的运动情况分析、动力学模型确定及动力学分 析、安装、使用及维护、技术条件等任务。 首先完成振动给料机的总体设计，依据处理量和工作原理，确定机械参数、槽 体设计几何尺寸、振动电机功率的计算和型号的选取、悬挂弹簧的设计和槽体、弹 簧强度的校核；最后，完成振动给料机的安装、使用、维护等技术条件的说明。 步进
2、电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，就传统的步进电机来说，步进电动 机可简单的定义为，根据输入的脉冲信号每改变一次励磁状态就前进一定角度，若 不改变则保持一定的位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电动机是一种受电脉 冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲同 步的 同步电动机。 由于用可编程控制器（PLC）对步进电机进行控制价格比较贵，而单片机由于其 运算速度和精度已得到广泛的应用，尤其在工业过程控制及仪表中，单片机对于步 进电机的精确控制具有特别重要的意义。它具有体积小、是实现机电一体化的理想 控制装置等显著优点，因此本文利用单片机来控制步进电机，介绍了控制系统研
3、制 中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的设计思路。目 前它在许多领域尤其是在机械加工行业中的应用日益广泛。 步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位 移，通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方 向转动一个固定的角度（步进角） 。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达 到准确定位的目的；同时通过控制单片机的脉冲频率来控制电机转动的速度和加速 度，从而达到调速的目的。 步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控 制。 单片机控制步进电机的系统构成简单，不需要速度感应器及位置传感器，就能 以输入的脉波做速度及
4、位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高 频度、高精度之定位控制的场合下使用。同时步进电机在中低速时具有较大的转矩， 故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。使用步进电机装置与使用离合器、减 速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养 时也较简单容易。步进电机体积小、扭力大，尽管于狭窄的空间内，仍可顺利做安 装，并提供高转矩输出。 步进电机具有优越的控制特性,而单片机控制步进电机的系统也将会得到广泛的 应用。河南机电高等专科学校毕业论文2第第 1 1 章章 步进电机概述步进电机概述1.11.1 步进电机简述步进电机简述步进电机（也称脉冲电机）是一种跟踪
5、脉冲信号来控制转角和转速、并适合微 控制器控制的电机。下面我们还是主要介绍它的转动控制。 步进电机又称脉冲电机,是数字控制系统中的一种执行元件,其功能是将脉冲电 信号变换成相应的角位移或者线位移.通俗来说,即给一个脉冲电信号,电机就转动一 个角度或前进一步。 1.1.1 步进电机结构以及工作原理 步进电机按照其结构以及工作原理分为反应式步进电机,混合式步进电机,永磁 式步进电机和特种步进电机。 (1) 步进电机结构 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。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
6、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）,下图 1-1 是定转子的展开图：图 1-1 定转子的展开图 (2) 步进电机工作原理 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。
7、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-BC-C- 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
8、/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 反应式步进电机可以按照特定的指令旋转某一角度进行角度控制,也可以连续不 断的转动进行控制. 角度控制时,每输入一个脉冲,定子绕组就换接一次,输出轴就转过河南机电高等专科学校毕业论文3一个角度,其步数与脉冲数一致, 输出轴转过的角位移量输入脉冲数成正比。速度控 制时, 步进电机绕组中送入的是连续脉冲,各相脉冲不断的通断, 步进电机连续运转, 它的转速与脉冲频率成正比.由齿矩角的计算公式 360/ZN; (N 为运行拍数) 每输入 一个脉冲,转子转过的角度整个圆周角的也就是转过 1/ZN 转。因此每分钟转子所转 过的圆周数。即转速为: n=60
9、f/ZN(转/分) f 为控制脉冲的频率,即每秒输入的脉冲数。有上式可知, 反应式步进电机的转速取决于脉冲的频率, 转子齿数和拍数.当转 子齿数一定时,转子转速与输入脉冲的频率成正比,或者说, 其转速与输入脉冲的频率 同步,改变脉冲的频率可以改变转速,故可以进行无级调速,调速范围广。 另外,改变通电顺序,即改变定子磁场旋转方向,就可以控制电机正转或者反转。 步进电机的转速可用齿矩角来表示。 当脉冲频率一定时, 步矩角越小,电机转速就越低,因而输出功率也就越小,所以 从提高加工精度上要求应该选用小的步矩角,但是从提高输出功率上要求时, 步矩角 不能取的太小,一般步矩角根据系统中的应用情况进行选取
10、.步进电机控制示意图如图 1-2 所示图 1-2 控制步进电机示意框图1.21.2 步进电机的指标步进电机的指标1.2.11.2.1 步进电机的术语步进电机的术语1. 相数 产生不同对极 N、S 磁场的激磁线圈对数。常用 m 表示。 2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 AB-BC-CD-DA-AB，四相 八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。 3. 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 为运行拍数），以常规二、四相，转子齿为 50
11、 齿电机为例。四拍运行时步距角为 1.8（俗称整步），八拍运行时步距角为 0.9（俗称半步）。 4. 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）。河南机电高等专科学校毕业论文45. 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。 三相反应式步进电机,定子有六个极,不带小齿,.几种工作方式的相序如下:
12、三相单三拍 A-B-C-A 三相六拍 A-AB-B-BC-C-CA-A 三相双三拍 AB-BC-CA-AB 三相是指步进电机具有三相定子绕组 “三拍”是指三次换接为一个循环,第四次换接为第一次的情况。1.2.21.2.2 步进电机的动态指标步进电机的动态指标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
13、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 1-3 所 示： 图 1-3 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。如图 1-4 所示： 图 1-4 电机力矩频率和负载的关系 河南机电高等专科学校毕业论文5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。 步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距 越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力
