步进电机数字伺服系统分析与设计..docVIP

新型电机及控制技术实验报告 学院：电气工程学院 班级：研15电气 姓名：潘高超 学号 2015年5月10日 步进电机数字伺服系统分析与设计 一、步进电机的研究应用现状 1、步进电机的国内外研究现状 步进电机最早在1920年由英国人开发，1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，它的发展与计算机工业和数字控制技术密切相关。近年来，伴随着微电子技术大功率电力电子器件及驱动技术的进步，发达国家已普遍使用性能优越的混合式步进电机，其驱动技术采用恒相电流与细分驱动相结合，使步进电机在中、小功率控制系统内的精度提高，并逐步向高速大功率应用领域渗透。步进电动机最大的生产国是日本，如日本伺服公司、东方公司、SANYO DENKI和 MINEBEA及NPM公司等，特别是日本东方公司，无论是电动机性能和外观质量还是生产手段，都是世界上最好的。 我国对步进电动机的研究从1958年开始，1970年代以前受苏联的影响，以三相磁阻式步进电动机为主，如1960年代末为快走丝数控线切割机床研制的BF1840-75，一直延续生产到现在。1970年代受到国内研制生产数控机床和其他数控设备的推动，并受到当时日本数控机床系统的影响，开始发展磁阻式步进电动机的系列产品，以定子6个极、转子40齿的三相磁阻式电动机为主， 还有定子10个极、转子100齿的五相磁阻式电动机和四相电动机等。1980 年代开始发展混合式步进电动机， 以定子8极、转子50齿的二相(四相)混合式步进电动机为主．1987年开始自行设计定子10极、转子50齿的五相混合式步进电动机，同时还发展了一些不同于国外的非典型产品， 如定子8极、转子60齿的二相(四相)混合式步进电动机，这是为了与磁阻式步进电动机的步距角相一致。转子200齿的五相混合式步进电动机，转子100齿的九相(三相)混合式步进电动机，主要特点是具有高分辨率和可变步矩角。 经过多年的发展，我国步进电机形成一种品种规格繁多的局面，其中最主要的产品系列，一是1970年代形成的磁阻式步进电动机系列产品，在低端应用仍有较多的市场，继续生产；二是混合式步进电机的系列产品，包括引进技术和生产设备，按照国外的设计生产的二相和五相混合式步进电机，以及国内自行开发生产的混合式步进电动机，仍然拥有各自不同的应用领域，短期内很难统一到几个限定的规格品种上。 步进电机几十年的发展经验总结得到，磁阻式适用于平稳运行以及转速大于1000 r/min 的用途；永磁式成本低，主要用在价格低廉的消费性产品中；永磁感应子式更适合于低速大转矩用途。 2、步进电机的发展方向 步进电机正向以下四个方向发展： （1）小型化方向发展。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。 （2）改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方形结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。 （3）一体化设计。即把转子位置传感器、减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。 （4）向五相和三相电动机发展。目前广泛应用的二相和四相电动机，其旋转磁场和电磁转矩不完全对称，振动和噪声较大，而五相和三相电动机则是完全对称的，因此更具有优势性。 3、步进电机的应用领域 步进电动机多用于数控车床和机器人系统中。在现代工业，特别是航空、航天、电子等领域中，要求完成的工作量大，任务复杂，精度高，利用人工操作不仅劳动强度大，生产效率低，且难以达到所要求的精度，还有一些工作环境是对人体健康有害的或人类无法到达的，这就需要数控机床和机器人来完成这些工作。另外，在计算机外设和办公室自动化设备中也大量运用步进电机，如磁盘驱动、打印机、绘图仪和复印机等。 二、步进电机的工作原理与基本特性 1、步进电机的工作原理 通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度，转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步，它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比，改变绕组通电的顺序，电机就会反转，所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。 2、步进电机的特点特性 步进电机的主要特点有： （1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，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2