【2017年整理】步进电机数字伺服系统分析与设计.doc

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）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。一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 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。 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。 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）。 步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，