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1、郑州工业安全职业技术学院毕业论文郑州工业安全职业技术学院毕业论文 题 目 步进电机在数控机床中的应用姓 名 *坤 系 别 机电工程 专 业 数控技术 年 级 09-4 指导教师 徐钦 2012年 03月 01日目录第一章 步进电机结构 第一节步进电机结构简介第二章 步进电机驱动原理 第一节单极性驱动和双极性驱动电路 第二节不同驱动方式的原理及特点第三章 步进电机脉冲分配原理 第一节脉冲发生器和脉冲分配器 第二节集成电路芯片示例PMM8713第四章 步进电机在数控机床的应用第一节步进电机的工作特点第二节步进电机在数控机床中的应用第三节步进电机的发展趋势摘要随着数控机床在航空、航天、造船、汽车、模
2、具等机械制造领域的广泛应用，现代机械制造技术发生了巨大的变化。在数控技术影响着工业生产的同时，数控一词也风靡了大江南北。当我们提起数控技术自然会想到它的无数优点，而在这些众多优点中最令人印象深刻的也许就是其催精度、催效率。那么数控机床是如何做到这些的呢?本文将解答这一问题，并结合数控机床介绍步进电机的应用。 关键词：步进电机 数控机床 应用第一章步进电机结构 按照励磁方式分类，步进电机可分为反应式、永磁式和感应子式。其中反应式步进电机用的比较普遍，结构也较简单。本课题采用的也是此类电机。 反应式步进电机又称为磁阻式步进电机，其典型结构如图1所示。这是一台三相电机，定子铁心由硅钢片叠成，定子上有
3、6个磁极，每个磁极上又各有5个均匀分布的矩形小齿。三相电机共有三套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。转子也是由叠片铁心构成，转子上没有绕组，而是由40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两齿之间的夹角为9度。 下面简述其工作原理。当某相绕组通电时，对应的磁极就会产生磁场，并与转子形成磁路。若此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子转动一定的角度使转子齿与定子齿对应。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。例如，在单三拍运行方式中，当A相控制绕组通电，而B、C相都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，所以转子齿与A相定子齿对齐。若以 此作为初始状
4、态，设与A相磁极中心磁极的 图1 步进电机剖面结构 转子齿为0号齿，由于B相磁极与A相磁极相差120度,且120度/9度13.333不为整数，所以，此时13号转子齿不能与B相定子齿对齐，只是靠近B相磁极的中心线，与中心线相差3度。如果此时突然变为B相通电，而A、C相都不通电，则B相磁极迫使13号小齿与之对齐，整个转子就转动3度。此时称电机走了一步。 同理，我们按照ABCA顺序通电一周，则转子转动9度。转速取决于各控制绕组通电和断电的频率（即输入脉冲频率），旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。如上述绕组通电顺序改为ACBA则电机转向相反。 这种按ABCA方式运行的称为三相单三拍，“三相”是指步
5、进电机具有三相定子绕组，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指三次换接为一个循环。 此外，三相步进电机还可以以三相双三拍和三相六拍方式运行。三相双三拍就是按ABBCCAAB方式供电。与单三拍运行时一样，每一循环也是换接3次，共有3种通电状态，不同的是每次换接都同时有两相绕组通电。三相六拍的供电方式是AABBBCCCAA每一循环换接六次，共有六种通电状态，有时只有一相绕组通电，有时有两相绕组通电。磁阻式步进电机的步距角可由下边公式求得 式中Mc为控制绕组相数，C为状态系数，三相单三拍或双三拍时C1，三相六拍时C2。Zr为转子齿数，本课题使用的36BF003型步进电机转子齿数为40。减小步距
6、角的途径 由式可知，本课题使用的步进电机未细分时能达到的最小步距角为1.5度（三相六拍模式）。转速较高时，由于转子本身的惯性，电机可近似看作匀速转动。但在低速运行时，较大的步距角造成两步之间的时间间隔较长，在下一个电脉冲到来之前转子已经停止转动，由此造成运行的不连续及低频振动。此外实际应用中1.5度的步距角往往不能满足精度需要，为了提高精度，要求一个脉冲对应的位移量小，即步进电机的步距角小。减小步距角有以下四种方法：1、增加步进电机控制绕组的数量。由式可知，步距角Q与绕组数Mc成反比，Mc越大则Q越小。三相步进电机单拍运行时的步距角为3度（40转子齿），如果采用四相电机，则步距角减小到1.8度
7、（50转子齿）。但是相数越多电机结果越复杂，制造越困难，靠增加相数减小步距角的成本很高。2、增加拍数。即增大状态系数C。由式知状态系数也与步距角成反比，增加拍数相当于增加绕组相数。三相步进电机单三拍运行时步距角为3度，采用三相六拍模式后步距角减小到原来的一半。但步进电机所能实现的拍数同绕组相数直接相关，三相步进电机最多能实现的拍数是六拍，四相电机最多八拍。靠增加拍数减小的步距角有限。3、增加转子齿数Zr。由于Zr与步距角Q成反比，增加转子齿数也能减小步距角。但受加工精度、制造成本限制，转子齿数不能无限增多。4、采用细分电路。对于一个步进电机，采用细分电路后其步距角减小为原来的1/N（N为细分数
8、）。理论上N可以无限增大，从而步距角Q可以无限减小。细分电路对于任何反应式步进电机都适用，尤其是步距角较大的低端步进电机，能显著减小步距角，提高运动精度，从而在某些场合可以代替高端步进电机。第二章步进电机驱动原理第一节单极性驱动和双极性驱动电路 驱动电路即是功率放大器，它将脉冲分配器送来的触发信号放大，以足够的功率来驱动步进电动机。通常由脉冲分配器与功率放大器组成步进电动机驱动器。从步进电动机的绕组形式来看，驱动电路可划分为单极性和双极性电路两种。单极性电路中，相电流流经绕组始终只有一个方向，如图11.24所示。单极性电路一般用于磁阻式步进电动机和带中心抽头的永磁式步进电动机。由于绕组利用率低
9、，故电动机输出转矩较小，但是驱动电路简单，成本较低。 双极性驱动方式时，相电流在同一绕组中有两个流动方向（见图11.32），其绕组利用率高，输出转矩大，但与单极性绕组相反，驱动电路复杂，成本高。第二节不同驱动方式的原理及特点 (1)恒压驱动方式 恒电压驱动方式是指步进电动机绕组上加上恒定的电压，如图11.33(a)所示。这种驱动方式的电路相当简单，流经绕组中的电流以时间常数1=La/Ra（La为绕组的等效电感，Ra为绕组的等效电阻）上升，直至稳定状态。当电动机高速运转时，流经绕组的电流还未上升到稳定状态就被关断，相应的平均电流减少而导致输出转矩下降。 为改善高速状态的电动机转矩特性，通常在连接
10、电动机绕组的线路中串联一个无感电阻，并外加更高的电压，如图11.33(b)所示，此时线路的电气时间常数2=La/(Ra+Rs)（Rs为外加电阻阻值），2与1相比要减小很多，绕组电流的上升坡度变陡，平均电流因此而提高，输出转矩随之增加，但在电阻民上要损耗过多的能量，因此通常选择Rs=(23)Ra。 (2)高低压切换驱动方式 高低压驱动方式是恒电压驱动方式的改进型，它使用两种电压电源，即步进电动机额定电压和比它高几倍的电压电源。此方式可改善电动机启动时的电流前沿特性，如图11. 34所示。 当某相绕组开始导通时，高压功率管T1与低压功率管T2同时导通，此时加到绕组上的电压为高端电压EH，上升电流具
11、有较陡的前沿特性。当电流上升到额定值时，高压功率管T1关闭，只剩下低压功率管T2以维持相电流。这种电路常用于大功率驱动电源，其特点是功耗较低，高频出力较大。 (3)恒流斩波驱动方式恒电流驱动是一种采用斩波技术，使电动机在从低速到高速运行范围内保持绕组电流恒定的一种驱动方式。它弥补了高低电压电路相电流波形有凹点的缺陷，提高了输出转矩，是目前控制场合使用最为广泛的一种线路。图11.35所示的恒流斩波电路中有一个电压比较器。当开关功率晶体管T1导通时，绕组电流在取样电阻Rs上产生一个电压Us，当Us上升到设定电压UREF时，由比较器比较后产生信号使大功率晶体管T1关断，绕组电流下降并导致Us下降，当
12、Us小于UREF-定值时，比较器电平翻转又使大功率晶体管T1开通，从而使绕组电流保持在额定电流上下的一定范围内。由于线路中没有外接附加电阻，而取样电阻Rs很小，因此整个线路的损耗相当小，而电动机绕组电流却能在运行范围内保持恒定，电动机恒转矩输出范围增大。为了保证电流响应的快速性，这种方式下应使用比电动机额定值高得多的供电电压。该电路在低频时会使电动机产生严重的振荡，系统设计时应尽量避开这个振荡区域。微步距驱动控制技术（细分技术） 在前面双三拍和单双六拍的讨论中，我们已经知道以相同的电流激励两相绕组，将获得半步的动作，使转子到达介于两个单相驱动的位置中间的位置。那么不难想象，如果两相绕组的电流不
13、相等将导致转子位置偏向于磁场较强的定子磁极，这种效应在微步距驱动技术中得到应用。通过按比例地调节两相绕组中的电流，将电动机的基本步距角细分，步距角大为减小，低速下运行的流畅性得到极大的改善。高分辨率的细分驱动可将一个整步细分到多至500微步，导致每转可达十万步。在这种条件下，绕组中的电流模式类似相位差为90的两个正弦波（图11. 36），电动机运行起来像一台交流同步电动机。 微步距技术使步进电动机步距细化，分辨率有所提高，振动噪声和转矩波动问题得到很大改善，运转更为平稳，使步进电动机在高级控制系统中获得更大的竞争力。第三章 步进电机脉冲分配原理 第一节脉冲发生器和脉冲分配器步进电动机与交直流电
14、动机不同之处是，仅仅接上供电电源它是不会运行的，图11.29表示步进电动机的驱动和控制系统的基本组成。该系统包括步进电动机、脉冲发生器、脉冲分配器、功率放大器以及直流功率电源等五个部分。较复杂的驱动控制系统带有位置反馈的环节，组成闭环系统。 脉冲发生器是产生步进电动机角位移或速度的控制脉冲电路。步进电动机运行的转角或转速由脉冲发生器的脉冲频率(Hz或脉冲/s)所确定。步进电动机的转角正比于输入的脉冲数，对应于脉冲信号数量，它是频率和时间的乘积。例如一个步距角为1.8。的步进电动机要旋转90，则根据1.8N=90，得到脉冲信号数量N50。=N0式中-转角()；N-脉冲个数； 0-步距角（/步）。 步进电动机的步距角是由其设计结构决定的，在以一般方式运行时，步进电动机的转角
