西门子PLC控制步进电机的设计

西门子PLC控制步进电机的设计

步进电机发展

步进电机现状

自问世以来，步进电机很快确定了在开环高分辨率的定位系统中的主导地位。在工业技术高速发展的今天，还未有适合的取代产品出现。虽然步进电机已被广泛应用，但并不能像普通的直流电动机、交流电动机那样在常规电气控制中使用。它须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统，涉及很多机械与电气控制方面知识。

我国生产步进电机的厂家不少，但能自行开发研究的厂家却较少，大部分厂家规模比较小。我国步进电机产品发展有自己的特点：20世纪80年代以前是以磁阻式步进电机为主，20世纪80年代后期开始发展混合式步进电机。产品从相数上分有二相、三相、四相、五相，从步距上分有格上分有

，从静力矩上分有0.140N.m。

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从大功率驱动设备市场上，大扭矩步进电机没有市场，无论是在经济上、噪声、加速度、系统惯量、最大扭矩等方面，都不如采用伺服电动机或是直流电动机加编码器好。步进电机主要是应用在小功率场合。总的来说，步进电机是一种简单的开环控制，不适合在大功率场合使用。具体的应用场合如下：

(1) 经济型数控机床，如数控雕刻机、数控磨床，数控铣镋床等。 (2) 工业生产装备，如连续式、间歇式包装机，机械手等。 (3) 工业器材方面，如拿放装置、性能测试装备等。

(4) 小型自动化办公设备，如启动打标机、贴标机、割字机、激光打标记绘

图仪等。

步进电机发展趋势

步进电机今后继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小，在57、42机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向39、35、30、25方向向下延伸。瑞士ESCAP公司最近还研制出外径仅10mm的步进电动机。

除了传统的旋转步进电机，线性步进电机近些年来发展也很快，它减少了零部件，几乎没有磨损或维修，并且易于结合机器使用，非常适合在轻负载的情况

下使用。

步进电机控制原理

在计算机控制系统中，步进电机是一种非常重要的自动化执行元件，它能将电脉冲转化为电动机轴的角位移。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(称为“步距角”), 当步进驱动器一个一个地接收到若干个脉冲时，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。因此，可以通过控制进给脉冲的个数来控制电动机的角位移量, 从而达到准确定位的目的

步进电机基本工作原理

步进电机的定子、转子是用硅钢片或其他软磁材料制成的。定子的每对极上都绕有一对绕组，构成一相绕组，共三相称为A、B、C三相。

图4_1 步进电机线圈绕组

在定子磁极和转子上都开有齿分度相同的小齿，采用适当的齿数配合,当A相磁极的小齿与转子小齿一一对应时，B相磁极的小齿与转子

小齿相互错开1/3齿距，C相则错开2/3齿距。如图所示

图4_2 电机齿轮

上图中，A相绕组与齿1、5一一对应，而此时B相绕组与齿2错开1/3齿距，而与齿3错开2/3齿距，C相绕组与齿3错开2/3齿距，而与齿4错开1/3齿距。 电机的位置和速度由绕组通电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由绕组通电的顺序决定。 步进电机一些基本参数

(1) 电机固有步距角

它表示控制系统每发一个步进脉冲信号, 电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值, 如57BYG46403 型电机给出的值为0.9°/1.8°( 表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°) , 这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’, 它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。

(2) 步进电机的相数

是指电机内部的线圈组数, 目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同, 其步距角也不同, 一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时, 用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器, 则‘相数’将变得没有意义, 用户只需在驱动器上改变细分数, 就可以改变步距角。

(3)保持转矩（HOLDING TORQUE）

是指步进电机通电但没有转动时, 定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一, 通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减, 输出功率也随速度的增大而变化, 所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如, 当人们说2N.m 的步进电机, 在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

（4）启动频率（fq0）

空载时，步进电动机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率，用fq表示。若启动时频率大于突跳频率，步进电动机就不能正常启动。Fq与负载惯量有关，一般说来随着负载惯量的增长而下降。空载起动时，步进电动机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突

跳频率。

步进电机细分驱动技术

步进电机的运行需要各相电流满足一定的时序要求, 而电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关, 如果绕组中电流不再是方波, 而是一个分成个台阶的近似阶梯波, 电机每运行一个阶梯即转动一步。当转动小步时, 实际上相当于转过一个步距角, 这就是所谓的细分。以二相步进电机为例式（1）、式（2）为A、B相电流公式, 式(3)、式(4)则为分别的力矩。

iA?i0gcos?e(1)iB?i0gsin?e(2) TA?K0i0gcos?e(3)TB?K0i0gsin?e(4) 这里

K0是转矩的常量, 矢量合成式（3）、式（4）得到

Tg?K0gi0可见, 细分前后合成力矩并没有变化, 但是电机运行的平稳性却增加了。图1-3的上半部分为整步运行下的A、B两相的电流图。可以看出1、2、3、4点的合成力矩相等, 但是连续性不好, 尤其在低频运行时会有明显的振动。而经过细分的则不同, 如图下半部分所示, 将整步的一拍分成了四步来完成, 即四细分。每一微步的电流合成大小都一样, 这样使得每一步过渡更加平稳, 有效抑制了振动, 并减少了失步。

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