機械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著高精密加工技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對工作臺的加工精度提出了越來越高的要求。而工作臺的定位精度是影響其加工精度的主要因素之一，所以如何方便實用的提高對工作臺的精確定位成為現(xiàn)在各個方面都在研究的重要課題。而對于開環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于開環(huán)環(huán)節(jié)的存在，使得我們在本次研究過程中的定位精度受到了一定的限制，對于工作臺的定位精度主要取

2、決于電機的控制精度以及程序控制誤差的雙重影響，為了達(dá)到最大限度的滿足兩自由度工作臺X-Y的精確定位，本設(shè)計主要從基于高速脈沖的精確定位出發(fā)，以滿足和提高現(xiàn)代機床的定位操作，從而滿足人們兩自由度工作臺越來越高的要求。</p><p>　　為了在一定場合取代高成本的定位控制，實現(xiàn)精確定位控制系統(tǒng)最優(yōu)的性價比，采用西門子S7-200系列PLC作為控制器，通過驅(qū)動器控制步進(jìn)電機運行以實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。本設(shè)計采用PLC基于高速

3、脈沖的兩自由度工作臺精確定位控制系統(tǒng)，得出了精確定位控制系統(tǒng)設(shè)計與實施的關(guān)鍵，并給出了實現(xiàn)精確定位的控制方案及PLC程序。這種使用PLC實現(xiàn)的定位方法具有快速、精確、成本低、易于實現(xiàn)的特點，在工業(yè)生產(chǎn)中十分實用。</p><p>　　關(guān)鍵詞：工作臺 精確定位 PLC 步進(jìn)電機 </p><p><b>　　引 言</b></p><p

4、>　　步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時就驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），其旋轉(zhuǎn)以固定的角度運行?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機作為一種控制用的特種電機，因其沒有積累誤差（精度為100%）而廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。</p><p>

5、;　　可編程序控制器（PLC）是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的一種工業(yè)控制計算機，具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小等顯著優(yōu)點，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制裝置。通過對步進(jìn)電機定位與PLC的深入研究，本文提出了利用PLC的高速脈沖輸出實現(xiàn)步進(jìn)電機位置控制功能的有關(guān)見解與方法，介紹了步進(jìn)電機加減速控制原理以及用PLC實現(xiàn)步進(jìn)電機快速精確定位的方法，給出了位置控制系統(tǒng)方案及軟件設(shè)計思路，在實驗室內(nèi)運行通過，對于工礦企業(yè)實現(xiàn)相關(guān)步進(jìn)電機的精確定

6、位控制具有較高的應(yīng)用與參考價值</p><p>　　第一章 設(shè)計的目的</p><p>　　1.1兩自由度X-Y工作臺精確定位的背景與發(fā)展</p><p>　　隨著現(xiàn)代微科技技術(shù)的發(fā)展，研制定位精度高、測量范圍大、</p><p>　　運動平面度高的二自由度工作臺，即X-Y移動工作臺具有重要現(xiàn)實的意義。精確定位技術(shù)的發(fā)展，不僅在精密測量、半

7、導(dǎo)體光刻方面需要十分精確的定位和非常精細(xì)的運動，其他如微型機械、超精密加工、微型裝配、生物細(xì)胞操縱和納米技術(shù)等領(lǐng)域都需要精密工作臺的協(xié)同運動，因此研究兩自由度X-Y工作臺精確定位成為當(dāng)務(wù)之急。在電機驅(qū)動工作臺精確定位的系統(tǒng)中，可以利用現(xiàn)代控制理論的新發(fā)展，選擇合適的控制方法，在不斷更新設(shè)備的情況下同時提高對工作臺的精確定位。</p><p>　　1.2設(shè)計的意義和目的</p><p>　　

8、隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，特別是微型計算機的普及和應(yīng)用，使現(xiàn)代機械加工技術(shù)發(fā)生了深刻的變化，這種變化主要涵蓋兩個方面，一是想著提高產(chǎn)品加工的生產(chǎn)效率為主的高度自動化的方向發(fā)展，另一個是向著提高產(chǎn)品質(zhì)量為主的精度化的方向發(fā)展。而由于現(xiàn)代機電設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，融機、電、光、液等技術(shù)于一體，功能也越來越復(fù)雜，越來越完善，在這種情況下如何提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量成為機械行業(yè)迫切需要解決的問題，而精確定位兩自由度X-Y工作臺作為加工機床的關(guān)鍵部分，具有它廣泛

9、的研究范圍和經(jīng)濟(jì)的研究價值，對于提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)精度等提高生產(chǎn)的方面的發(fā)展具有深刻的意義。基于高速脈沖對兩自由度X-Y工作臺的精確定位，是一種方便、實用、和低成本的有效方法，這也是本設(shè)計研究目的之所在。</p><p>　　1.3設(shè)計的主要原理及方案要點</p><p><b>　　1.3.1主要原理</b></p><p>　　本設(shè)計主要以

10、兩自由度X-Y工作臺的精確定位作為研究對象，通過PLC可編程控制器與接口電路相連接，發(fā)送高速脈沖指令，通過驅(qū)動裝置驅(qū)動步進(jìn)電機帶動XY工作臺的動作。工作原理圖如下所示：</p><p><b>　　1.3.2方案要點</b></p><p>　?。?）兩自由度X-Y工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計。PLC可編程控制器作為本設(shè)計的關(guān)鍵部分，必須有合理精確的程序作為控制指令。<

11、/p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　（3）</b></p><p>　　第二章 系統(tǒng)方案總體設(shè)計</p><p><b>　　2.1設(shè)計思想</b></p><p>　　利用PLC的高速脈沖指令控制步進(jìn)電機實現(xiàn)準(zhǔn)確定位，目前

12、世界上主要的PLC廠家生產(chǎn)的PLC均有專門的高速脈沖輸出指令，可以很方便地和步進(jìn)電機構(gòu)成運動定位控制系統(tǒng)。由PLC高速脈沖指令控制步進(jìn)電機實現(xiàn)準(zhǔn)確定位的實質(zhì)是PLC通過高速脈沖輸出指令PTO/PWM輸出高速脈沖信號，經(jīng)步進(jìn)電機脈沖細(xì)分驅(qū)動器控制步進(jìn)電機的運行，從而推動工作臺移動到達(dá)指定的位置，實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。</p><p>　　工作臺移動的距離與PLC脈沖數(shù)之間的關(guān)系為：</p><p>

13、　　式中：N為PLC發(fā)出的控制脈沖的個數(shù);n為步進(jìn)電機驅(qū)動器的脈沖細(xì)分?jǐn)?shù)(如果步進(jìn)電機驅(qū)動器有脈沖細(xì)分驅(qū)動);θ為步進(jìn)電機的布距角，即步進(jìn)電機每收到一個脈沖變化，軸所轉(zhuǎn)過的角度;d為絲杠的螺紋距，它決定了絲杠每轉(zhuǎn)過一圈，工作臺面前進(jìn)的距離;δ為脈沖當(dāng)量(定位精度);i為傳動速比;L為工作臺移動的距離。</p><p>　　顯然，利用PLC控制步進(jìn)電機實現(xiàn)準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵是對PLC產(chǎn)生的脈沖數(shù)的設(shè)定。而脈沖數(shù)與脈沖當(dāng)

14、量、傳動速比、步進(jìn)電機驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)以及脈沖頻率等都有關(guān)。</p><p><b>　　2.2設(shè)計要求</b></p><p>　　假設(shè)以貨物倉儲系統(tǒng)中的對直線導(dǎo)軌的定位控制設(shè)計為例加以說明。在倉儲系統(tǒng)中，要求由步進(jìn)電機拖動直線導(dǎo)軌將料塊送到指定的倉庫門口。假設(shè)從起點到終點的運送距離為100 mm，即要求由步進(jìn)電機帶動導(dǎo)軌作直線運動，定位距離為100 mm。為實現(xiàn)準(zhǔn)確

15、定位，本設(shè)計應(yīng)注意以下要求</p><p>　　2．2.1對PTO的要求</p><p>　　系統(tǒng)采用西門子S7-200系列CPU224型PLC、四通57BYG250C混合式步進(jìn)電機和森創(chuàng)SH-20403步進(jìn)電機驅(qū)動器等設(shè)備。其中CPU226型PLC的CPU有兩個脈沖發(fā)生器，分別是Q0.0端子和Q0.1端子。這兩個端子均可輸出PTO/PWM高速脈沖信，脈沖頻率可達(dá)20 kHz。根據(jù)控制要求

16、，系統(tǒng)擬采用高速脈沖串輸出PTO功能，PTO功能可輸出一定脈沖個數(shù)和占空比為50%的方波信號。輸出脈沖的周期以μs或ms為增量單位。PTO功能允許多個脈沖串排隊輸出，從而形成流水線。流水線分為兩種：單段流水線和多段流水線。</p><p>　　2.2.2對步進(jìn)電機的要求</p><p>　　為了消除電機的低頻振蕩，提高分辨率，采用了步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動器，驅(qū)動步距角為0.9°/1.8

17、°，脈沖細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定為4。為保證速度和定位精度要求，步進(jìn)電機運行一般要經(jīng)歷三個過程，即啟動加速、恒速運行和接近定位點時的減速運行。為了維護(hù)步進(jìn)電機以及驅(qū)動設(shè)備，要求驅(qū)動脈沖頻率也線性增大，所以，本定位控制系統(tǒng)采用多管線操作，控制電機的運行過程。設(shè)直線導(dǎo)軌起始位置在A點，現(xiàn)欲從A點移至D點，其中AD=100 mm。定位精度只與步進(jìn)電機脈沖當(dāng)量有關(guān)，取脈沖當(dāng)量為0.11 mm/脈沖，則需要900個脈沖完成定位。步進(jìn)電機運行過程中，要

18、從A點加速到B點后恒速運行，又從C點開始減速到D點完成定位過程用200個脈沖完成升頻加速，500個脈沖恒速運行，200個脈沖完成降頻減速。如圖2所示。</p><p>　　2.3設(shè)計步驟（總體到局部，小到大，軟件到硬件）</p><p>　　2.3設(shè)計組成部分的選擇</p><p>　　(1)PLC類型的選擇。首先，PLC必須是可以輸出高速脈沖的晶體管輸出形式。其次

19、，PLC輸出最高脈沖頻率大小必須滿足控制要求。</p><p>　　(2)步進(jìn)電機脈沖細(xì)分驅(qū)動器的選擇及參數(shù)設(shè)置。</p><p>　　(3)步進(jìn)電動機的選擇。首先考慮的是步進(jìn)電動機的類型選擇，其次才是品種選擇，根據(jù)系統(tǒng)要求，確定步進(jìn)電動機的電壓值、電流值以及有無定位轉(zhuǎn)矩和使用螺栓機構(gòu)的定位裝置，從而就可以確定步進(jìn)電動機的相數(shù)和拍數(shù)。在進(jìn)行步進(jìn)電動機的品種選擇時，要綜合考慮速比i、軸向力F

20、、負(fù)載轉(zhuǎn)矩Ti、額定轉(zhuǎn)矩TN和運行頻率fy，以確定步進(jìn)電機的具體規(guī)格和控制裝置。</p><p>　　(4)脈沖當(dāng)量的計算。</p><p><b>　　第三章設(shè)計方案論證</b></p><p>　　3.1方案選擇的多樣性</p><p>　　當(dāng)今世界，隨著計算機和微機電系統(tǒng)的快速發(fā)展以及對生產(chǎn)加工的要求，實現(xiàn)對工作臺

21、精確定位的方法也越來越多，如：基于傳感器換向的兩自由度工作臺的精確定位、利用PLC的PID指令及軟、硬件配合實現(xiàn)準(zhǔn)確定位、利用PLC的EM253模塊實現(xiàn)的準(zhǔn)確定位等。這些方案對工作臺的精確定位都從某一角度作出了比較好的詮釋。</p><p>　　3．2方案選擇的優(yōu)越性</p><p>　　然而在本設(shè)計中，利用PLC的高速脈沖指令控制步進(jìn)電機實現(xiàn)準(zhǔn)確定位，基于高速脈沖對兩自由度X-Y工作臺的

22、精確定位，是一種方便、實用、和簡單的有效方法，加之我們通過的這種控制方式屬于對步進(jìn)電機的一種開環(huán)控制，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、定位準(zhǔn)確、易于實現(xiàn)等。這也是本設(shè)計選擇其作為兩自由度X-Y工作臺精確定位的方案之所在。</p><p><b>　　第四章硬件設(shè)計</b></p><p><b>　　4.1PLC</b></p><

23、p>　　4．1.1PLC簡介</p><p>　　PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller，是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了如下定義：PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，

24、用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。</p><p>　　PLC具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點?？梢灶A(yù)料：在工業(yè)控制領(lǐng)域中，PLC控制技術(shù)的應(yīng)用必將形成世界潮流。</p&g

25、t;<p>　　PLC程序既有生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)程序，又有用戶自己開發(fā)的應(yīng)用程序，系統(tǒng)程序提供運行平臺，同時，還為PLC程序可靠運行及信息與信息轉(zhuǎn)換進(jìn)行必要的公共處理。用戶程序由用戶按控制要求設(shè)計。</p><p>　　4.1.2PLC的工作原理</p><p>　　PLC有兩種工作狀態(tài)，即運行（RUN）狀態(tài)和停止（STOP）狀態(tài)。</p><p>　　在

26、運行狀態(tài)，PLC通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。為了使PLC的輸出及時地響應(yīng)隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直到PLC停機或切換到STOP工作狀態(tài)。</p><p>　　除了執(zhí)行用戶程序外，每次循環(huán)過程中，PLC不還要完成內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5 個階段，如圖4-6所示。</p><p>　　PLC的這種周而復(fù)始的循環(huán)

27、工作方式稱為掃描工作方式。</p><p>　　圖4-6 掃描工作方式</p><p><b>　　2.掃描工作周期</b></p><p>　　在工作狀態(tài)下，執(zhí)行一次圖4-6所示的掃描操作所需的時間稱為掃描周期。其典型值為1-100ms。 </p><p><b>　　輸入采樣階段。 </b&g

28、t;</p><p>　　PLC 首先掃描所有輸入端子，并將各輸入狀態(tài)存入內(nèi)存中各對應(yīng)的輸入映像寄存器中。此時，輸入映像寄存器被刷新。接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段，此時輸入影響寄存器與外界隔離，無論輸入信號如何變化，其內(nèi)容保持不變，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫入輸入端的新內(nèi)容。 </p><p><b>　　程序執(zhí)行階段。</b></p><

29、p>　　根據(jù) PLC 梯形圖程序”先左后右，先上后下”掃描原則進(jìn)行逐句掃描。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。當(dāng)指令中涉及輸入、輸出狀態(tài)時， PLC 就從輸入映像寄存器“讀入”上一階段采入的對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從元件映像寄存器“讀入”對應(yīng)元件 ( “軟繼電器” ) 的當(dāng)前狀態(tài)。然后，進(jìn)行相應(yīng)的運算，運算結(jié)果再存入元件映像寄存器中。對元件映像寄存器來說，每一個元件 ( “軟繼電器” ) 的狀態(tài)會隨著程序執(zhí)

30、行過程而變化。 </p><p><b>　　輸出刷新階段。</b></p><p>　　在所有指令執(zhí)行完畢后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)（接通 / 斷開）在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出，驅(qū)動外部負(fù)載。</p><p>　　3.輸入輸出滯后時間</p><p>　　輸入輸出滯后時間又稱系統(tǒng)響

31、應(yīng)時間，是指PLC的外部輸入信號發(fā)生變化的時間到它的控制的有關(guān)外部輸出信號發(fā)生變化的時刻之間的時間間隔，它由輸入電路的濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式的滯后時間三部分組成。</p><p>　　滯后時間與模塊的類型有關(guān)。繼電器輸出電路的滯后時間一般在10ms左右，雙向可控硅型輸出電路在負(fù)載接通時的滯后時間為1ms，負(fù)載斷開時的最大滯后時間為10ms，晶體管型輸出電路的滯后時間一般在1ms左右。<

32、/p><p>　　由掃描工作方式引起的滯后時間最長可達(dá)2個掃描周期。</p><p><b>　　4.2 PTO指令</b></p><p>　　脈沖列(PTO)功能提供周期與脈沖數(shù)目可以由占空比控制的占空比為50%的方波脈沖輸出。其圖形如圖4-7所示。</p><p>　　圖4-7 方波脈沖串</p>&l

33、t;p><b>　　1.周期和脈沖數(shù)</b></p><p>　　周期：單位可以是微秒μs或毫秒ms；為16位無符號數(shù)據(jù)，周期變化范圍是50~65535μs或2~65535ms，通常應(yīng)設(shè)定周期值為偶數(shù)，若設(shè)置為奇數(shù)，則會引起輸出波形占空比的輕微失真。如果編程時設(shè)定周期單位小于2，系統(tǒng)默認(rèn)按2進(jìn)行設(shè)置。</p><p>　　脈沖數(shù)：用雙字長無符號數(shù)表示，脈沖數(shù)取值

34、范圍是1~4294967295之間。如果編程時指定脈沖數(shù)為0，則系統(tǒng)默認(rèn)脈沖數(shù)為1個</p><p><b>　　2.中斷事件類型</b></p><p>　　高速脈沖串輸出可以采用中斷方式進(jìn)行控制，各種型號的PLC可用的高速脈沖串輸出的中斷事件有兩個，如表4.1所示。</p><p>　　表4.1 中斷事件</p><p

35、><b>　　3.PTO的使用</b></p><p>　　使用高速脈沖串輸出時，要按以下步驟進(jìn)行：</p><p>　　確定脈沖發(fā)生器及工作模式 </p><p><b>　　設(shè)置控制字節(jié)</b></p><p>　　寫入周期值、周期增量值和脈沖數(shù)</p><p>&

36、lt;b>　　裝入包絡(luò)的首地址</b></p><p>　　設(shè)置中斷事件并全局開斷</p><p><b>　　執(zhí)行PLS指令</b></p><p><b>　　4.3驅(qū)動器</b></p><p>　　4.3.1驅(qū)動器概述</p><p>　　1.由于本

37、設(shè)計中選用了兩相混合式步進(jìn)電機，故此采用細(xì)分型兩相混合式步進(jìn)電機驅(qū)動器DQ542.其實物如圖4-5所示</p><p>　　圖4-5 驅(qū)動器DQ542</p><p>　　DQ542型細(xì)分型兩相混合式步進(jìn)電機驅(qū)動器，采用直流18～50V供電，適合驅(qū)動電壓18V～50V，電流小于4.0A外徑42～86毫米的兩相混合式步進(jìn)電機。此驅(qū)動器采用交流伺服驅(qū)動器的電流環(huán)進(jìn)行細(xì)分控制，電機的轉(zhuǎn)矩波動很

38、小，低速運行很平穩(wěn)，幾乎沒有振動和噪音。高速時力矩也大大高于其它二相驅(qū)動器，定位精度高。廣泛適用于雕刻機、數(shù)控機床、包裝機械等分辯率要求較高的設(shè)備上。</p><p><b>　　2.主要特點</b></p><p>　　(1) 平均電流控制，兩相正弦電流驅(qū)動輸出</p><p>　　(2) 直流18～50V供電</p><

39、p>　　(3 )光電隔離信號輸入/輸出</p><p>　　(4) 有過壓、欠壓、過流、相間短路保護(hù)功能</p><p>　　(5) 十五檔細(xì)分和自動半流功能</p><p>　　(6) 八檔輸出相電流設(shè)置</p><p>　　(7) 具有脫機命令輸人端子</p><p>　　(8) 電機的扭矩與它的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而

40、與電機每轉(zhuǎn)的步數(shù)無關(guān)</p><p><b>　　(9) 高啟動轉(zhuǎn)速</b></p><p>　　(10).高速力矩大</p><p><b>　　4.3.2接口定義</b></p><p><b>　　1、控制信號定義</b></p><p>　　PU

41、L+(+5V)： 步進(jìn)脈沖信號輸入正端或正向步進(jìn)脈沖信號輸入正端</p><p>　　PUL-(PUL)： 步進(jìn)脈沖信號輸入負(fù)端或正向步進(jìn)脈沖信號輸入負(fù)端</p><p>　　DIR+(+5V)： 步進(jìn)方向信號輸入正端或反向步進(jìn)脈沖信號輸入正端</p><p>　　DIR-(DIR)： 步進(jìn)方向信號輸入負(fù)端或反向步進(jìn)脈沖信號輸入負(fù)端</p&g

42、t;<p>　　ENBL+(+5V)： 脫機使能復(fù)位信號輸入正端</p><p>　　ENBL-(ENB： 脫機使能復(fù)位信號輸入負(fù)端</p><p>　　脫機使能信號有效時復(fù)位驅(qū)動器故障，禁止任何有效的脈沖，驅(qū)動器的輸出功率元件被關(guān)閉，電機無保持扭矩。</p><p>　　2、功能選擇（SW1-SW8的定義）</p><p>

43、　　(1)設(shè)置電機每轉(zhuǎn)步數(shù)</p><p>　　驅(qū)動器可將電機每轉(zhuǎn)的步數(shù)分別設(shè)置為400、800、1600、3200、6400、12800、25600、1000、2000、4000、5000、8000、10000、20000、25000步。用戶可以通過驅(qū)動器正面板上的撥碼開關(guān)的SW5、SW6、SW7、SW8位來設(shè)置驅(qū)動器的步數(shù)（如表1）：</p><p><b>　　表1<

44、/b></p><p><b>　　(2)控制方式選擇</b></p><p>　　撥碼開關(guān)SW4位可設(shè)置成兩種控制方式：</p><p>　　當(dāng)設(shè)置成“OFF”時，為有半流功能。</p><p>　　當(dāng)設(shè)置成“ON”時，為無半流功能。</p><p>　　(3)設(shè)置輸出相電流</p&

45、gt;<p>　　為了驅(qū)動不同扭矩的步進(jìn)電機，用戶可以通過驅(qū)動器面板上的撥碼開關(guān)SW1、SW2、SW3位來設(shè)置驅(qū)動器的輸出相電流（有效值）單位安培，各開關(guān)位置對應(yīng)的輸出電流，不同型號驅(qū)動器所對應(yīng)的輸出電流值不同。具體見表2。</p><p><b>　　表2</b></p><p><b>　　(4)半流功能</b></p&g

46、t;<p>　　半流功能是指無步進(jìn)脈沖500ms后，驅(qū)動器輸出電流自動降為額定輸出電流的70%，用來防止電機發(fā)熱。</p><p><b>　　功率接口</b></p><p>　　(1)連接驅(qū)動器電源</p><p>　　DC+：直流電源正級，電源電壓直流16～55V。最大電流是5A。</p><p>　

47、　DC-：直流電源負(fù)級。</p><p>　　(2)A+ A- B+ B-：連接兩相混合式步進(jìn)電機</p><p>　　驅(qū)動器和兩相混合式步進(jìn)電機的連接采用四線制，有高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)距兩種接法。</p><p>　　高轉(zhuǎn)速時A+：黑色 A-：黃色 B+：紅色 B-：白色</p><p>　　高轉(zhuǎn)矩時A+：黑色 A-：綠色

48、 B+：紅色 B-：藍(lán)色</p><p>　　電機繞組有并聯(lián)和串聯(lián)接法，并聯(lián)接法，高速性能好，但驅(qū)動器電流大(為電機繞組電流的1.73倍)，串聯(lián)接法時驅(qū)動器電流等于電機繞組電流。</p><p><b>　　4.4步進(jìn)電機</b></p><p>　　4.4.1步進(jìn)電機簡介：</p><p>　　步進(jìn)電機是將電脈沖信

49、號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制組件。 </p><p>　　在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號， 電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。 </p><p>　　這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機來控制變的非常的簡單。 </p><p&

50、gt;　　單相步進(jìn)電機有單路電脈沖驅(qū)動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進(jìn)電機有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。使用多相步進(jìn) 電機時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電機各項繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一定的角度（稱為步距角）。正常情況下，步進(jìn) 電機轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保

51、持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。在非超載的情況下， 電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。</p><p>　　步進(jìn)電機按旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)分兩大類：1是圓型旋轉(zhuǎn)電機如下圖A 2直線型電機，結(jié)構(gòu)就象一個圓型旋轉(zhuǎn)電機被展開一樣，如下圖B</p><p>　　4.4.2步進(jìn)電機的分類和結(jié)構(gòu)</p&g

52、t;<p>　　步進(jìn)電機的種類 現(xiàn)在，在市場上所出現(xiàn)的步進(jìn)電機有很多種類，依照性能及使用目的等有各自不同的區(qū)分使用。 舉個例子，各自不同的區(qū)分使用有精密位置決定控制的混合型，或者是低價格想用簡易控制系構(gòu)成的PM型，由于電機的磁氣構(gòu)造分類， 因此就性能上來說就會有影響，其它的有依步進(jìn) 電機的外觀形狀來分類，也有由驅(qū)動相數(shù)來分類，和驅(qū)動回路分類等。 以步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子的材料可以分為三大類。&

53、#160;〈1〉PM型步進(jìn)電機:永久磁鐵型(permanent magnet type) 〈2〉VR型步進(jìn)電機:可變磁阻型(variable erluctance type) 〈3〉HB型混合型步進(jìn)電機，復(fù)合型(hybrid type) 1，PM型 PM型步進(jìn)電機的原理構(gòu)造如圖1所示，轉(zhuǎn)子是永久磁鐵所構(gòu)成，更進(jìn)一步的往這個周圍配置了復(fù)數(shù)個的固定子。 在圖2.2.1上，轉(zhuǎn)子磁鐵為

54、N、S一對，而它的固定子線圈由4個構(gòu)成，這些因為和步進(jìn)角有直接關(guān)系，所以如需要較微細(xì)的步進(jìn)角時，轉(zhuǎn)子磁鐵的極數(shù)和發(fā)生驅(qū)動力的固定子線圈的數(shù)不能不對應(yīng)的增加，還有在圖1的構(gòu)造步進(jìn)角為90°。                     

55、;    </p><p>　　而且，PM型的特征是因為在轉(zhuǎn)子是永久磁鐵構(gòu)成的，所以就算在無激磁(固定子的任何線圈不通電時)也需在一定程度上保持了轉(zhuǎn)矩的發(fā)生，因而，依照利用這種的性質(zhì)效果，可以構(gòu)成省能積形的系統(tǒng)。 這種的步進(jìn)電機，它的步進(jìn)角種類很多，釤鈷系磁鐵的轉(zhuǎn)子是用在45°或者90°上，而且這些也可以用氟萊鐵(ferrite)磁鐵作為多極

56、的充磁，有3.75°、11.25°、15°、18°、22.5°等豐富的種類，但是從這些數(shù)字上看7.5°(轉(zhuǎn)48步進(jìn))是最為普及化的。</p><p>　　2， VR型 VR型步進(jìn)電機的構(gòu)造，如圖2所示，轉(zhuǎn)子是利用轉(zhuǎn)子的突極吸引所發(fā)生的轉(zhuǎn)力，因而VR型在無激磁的時候，并不發(fā)生保持轉(zhuǎn)矩。 </p><p>　　

57、圖2 VR型步進(jìn)電機的原理圖(2相單極)</p><p>　　主要的用途適用在比較大的轉(zhuǎn)矩上的工作機械，或者特殊使用的小型起動機的上卷機械上。其它也有用在出力為1W以下的超小型電機上，總之，VR型的數(shù)量是非常少的，在步進(jìn) 電機的全部生產(chǎn)量上只有數(shù)%程度而已。 還有，步進(jìn)角的種類有15°、7.5°、也有1.8°，但是在數(shù)量上以1.5°步進(jìn)為最普及化。</p&

58、gt;<p>　　3 ，HB混合型 混合型步進(jìn)電機，是由固定子磁(齒)極以及和它對向的轉(zhuǎn)子磁極所構(gòu)成的，更近一步的它的轉(zhuǎn)子有這多數(shù)的齒車狀，在這些上是由轉(zhuǎn)軸和在同方向被磁化的永久磁鐵所組合而成，還有在構(gòu)造上比前面的PM型以及VR型更復(fù)雜，基本上是可以考慮由VR型和PM型一體化的構(gòu)造。 hybrid type型有混合型的意思存在，這個剛好是VR型和PM型兩者組合的情況，所以就有如此的稱呼。 

59、;一般上混合型，因具有高精度、高轉(zhuǎn)矩、微小步進(jìn)角和數(shù)個優(yōu)異的特征，所以剛開始在OA關(guān)系，其它的分類上也大幅的被使用，特別是在生產(chǎn)量上大半是使用在盤片記憶關(guān)系的磁頭轉(zhuǎn)送上。 還有，在步進(jìn)角上有0.9°、1.8°，其它的3.6°也有，比起其它的電機而言，具有極細(xì)的步進(jìn)角。 圖3為混合型步進(jìn)電機的構(gòu)造圖，在此，在固定子上側(cè)有8個激磁線圈部，更近一步的在磁極的先端上有復(fù)數(shù)的小齒(齒車狀突極)

60、 ，這些是對于轉(zhuǎn)子側(cè)的齒車狀磁極，還有步進(jìn)電機的驅(qū)動機械裝置。</p><p>　　圖3混合型步進(jìn)電機的構(gòu)造圖(2相單極)</p><p>　　兩相混合式步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)</p><p>　　步進(jìn)電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機供電，步進(jìn)電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進(jìn)電機分時供電的，多相

61、時序控制器。雖然步進(jìn)電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機并不能象普通的直流電機，交流電機那樣在常規(guī)下使用。步進(jìn)電機必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。</p><p>　　圖4-7 混合式步進(jìn)電機的定子(a)和轉(zhuǎn)子(b)</p><p>　　在工業(yè)控制中采用如圖4-7所示的定子磁極上帶有小齒、轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多的結(jié)構(gòu)，其步距角可以做得很小。如圖3-4兩相混合式步進(jìn)電動機的結(jié)構(gòu)圖，

62、和圖4-8步進(jìn)電機繞組接線圖，A、B兩相繞組沿徑向分相，沿著定子圓周有8個凸出的磁極，a、c磁極屬于A相繞組，b、d磁極屬于B相繞組，定子每個極面上有5個齒、極身上有控制繞組。轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼和兩段鐵芯組成環(huán)形磁鋼和轉(zhuǎn)子中部、軸向充磁，兩段鐵芯分別裝在磁鋼的兩端，使得轉(zhuǎn)子軸向分為兩個磁極。轉(zhuǎn)子鐵芯上均勻分布50個齒，兩段鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距，定、轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬相同。</p><p>　　圖4-8 混合式

63、步進(jìn)電機繞組接線圖4.4.3步進(jìn)電機的特點和缺點的克服</p><p><b>　　1、步進(jìn)電機的特點</b></p><p>　　（1）．一般步進(jìn)電機的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積?！　。?)．步進(jìn)電機外表允許的最高溫度?！　〔竭M(jìn)電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；

64、一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常?！　?3)．步進(jìn)電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。　　當(dāng)步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。　　(4)．步進(jìn)電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。　　步進(jìn)電機有一

65、個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。</p><p><b>　　2、克服缺點的方法</b></p><p>　　

66、步進(jìn)電機低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服：* W( K- R4</p><p>　　A.如步進(jìn)電機正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區(qū)； B.采用帶有細(xì)分功能的驅(qū)動器，這是最常用的、最簡便的方法； </p><p>　　C.換成

67、步距角更小的步進(jìn)電機，如三相或五相步進(jìn)電機； </p><p>　　D.換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高； </p><p>　　E.在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產(chǎn)品，但機械結(jié)構(gòu)改變較大。</p><p>　　4.4.4應(yīng)用中的注意點6 m' o' ^4 C' j7 w% J+ h&

68、 T0 U- |+ i+ h9 Y8 J, W5 B9 y! A1、步進(jìn)電機應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。: ~- |$ O: I. j; x$ S1 P2、步進(jìn)電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。5 U- E& s# @0 d4 e$ j3 k$ j4 Z* O3

69、、由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓，當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源， 不過要考慮溫升。$ [" q1 I" K+ `5 n: q- J4、轉(zhuǎn)動慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機座號電機。5 V0 k: n0 V& k. Y5、電機在較高速或大慣量負(fù)載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二

70、可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。- W9 K3 E6 X: q6、高</p><p>　　4.5硬件電路圖（見附錄）</p><p><b>　　第五章軟件設(shè)計</b></p><p><b>　　5.1各功能塊簡介</b></p><p>　　5.2程序設(shè)計圖（見附錄）</p>

71、;<p>　　第六章．測試及性能分析</p><p><b>　　6.1準(zhǔn)備工作</b></p><p><b>　　6.1.1程序仿真</b></p><p><b>　　1仿真軟件的介紹</b></p><p>　　2仿真過程及結(jié)果（顯示說名）</p&g

72、t;<p><b>　　6.1.2線路連接</b></p><p>　　硬件電路圖（見附錄）</p><p>　　6.2實行方案的測試（簡單的調(diào)試過程）</p><p>　　6.3性能分析（測試結(jié)果的分析：設(shè)計和實際）</p><p>　　第七章．全文總結(jié)與課題展望</p><p>

73、<b>　　7.1全文總結(jié)</b></p><p>　　實踐證明，本文提出的由PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器、伺服電機等組成的準(zhǔn)確定位控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性價比高、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，可廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及軍事領(lǐng)域。如板材的精確定長切割、軍用雷達(dá)定位系統(tǒng)，絲網(wǎng)印刷機停機控制、以及在數(shù)控機床、物料計量、送膜包裝等用異步電機或步進(jìn)電機實現(xiàn)的定位控制領(lǐng)域有一定的實用和參考價值。</p><

74、p>　　可編程序控制器（PLC）是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的一種工業(yè)控制計算機，具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小等顯著優(yōu)點，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制裝置。通過對步進(jìn)電機定位與Siemens PLC的深入研究，本文提出了利用PLC的高速脈沖輸出實現(xiàn)步進(jìn)電機位置控制功能的有關(guān)見解與方法，介紹了步進(jìn)電機加減速控制原理以及用PLC實現(xiàn)步進(jìn)電機快速精確定位的方法，給出了位置控制系統(tǒng)方案及軟件設(shè)計思路，在實驗室內(nèi)運行通過，對

75、于工礦企業(yè)實現(xiàn)相關(guān)步進(jìn)電機的精確定位控制具有較高的應(yīng)用與參考價值</p><p>　　7.2課題展望（三自由度）</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p

76、><b>　　硬件設(shè)計</b></p><p>　　3.1 可編程控制器（PLC)</p><p>　　3.1.1 PLC的選擇</p><p>　　PLC的選擇應(yīng)著重考慮PLC的性能價格比，選擇可靠性高，功能相當(dāng)，負(fù)載能力合適，經(jīng)濟(jì)實惠的PLC。在該設(shè)備整體方案選用了西門子S7—200系列PLC。</p><p

77、>　　3.1.2 PLC的工作原理</p><p>　　1、PLC的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示</p><p>　　圖3-1 PLC的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　PLC有兩種工作狀態(tài)，即運行（RUN)狀態(tài)和停止（STOP)狀態(tài)。在運行狀態(tài)，PLC通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制功能。為了使PLC的輸出及時地響應(yīng)隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執(zhí)行

78、一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直到PLC停機或切換到STOP工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序外，每次循環(huán)過程中，PLC還要完成內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為五個階段，如圖3-2所示。PLC的這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。</p><p>　　圖3-2 掃描工作方式</p><p><b>　　2、掃描周期</b></p><p

79、>　　在工作狀態(tài)下，執(zhí)行一次圖3-2所示的掃描操作所需的時間稱為掃描周期。其典型值為1—100ms。</p><p><b>　　(1)輸入采樣階段</b></p><p>　　PLC首先掃描所有輸入端子，并將各輸入狀態(tài)存入內(nèi)存中各對應(yīng)的輸入映像寄存器中。此時，輸入映像寄存器被刷新。接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段，此時輸入映像寄存器與外界隔離，無論輸入信號如何變化，其內(nèi)容

80、保持不變，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫入輸入端的新內(nèi)容。</p><p><b>　　(2)程序執(zhí)行階段</b></p><p>　　根據(jù)PLC梯形圖程序“先左后右，先上后下”掃描原則進(jìn)行逐句掃描。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)指令條件是否滿足來決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。當(dāng)指令中涉及輸入、輸出狀態(tài)時，PLC就從輸入映像寄存器“讀入”上一階段采入的對應(yīng)輸入端子狀

81、態(tài)，從元件映像寄存器“讀入”對應(yīng)元件（“軟繼電器”）的當(dāng)前狀態(tài)。然后，進(jìn)行相應(yīng)的運算，運算結(jié)果再存入元件映像寄存器中。對于元件寄存器來說，每一個元件的狀態(tài)會隨著程序執(zhí)行過程而變化。</p><p><b>　　(3)輸出刷新階段</b></p><p>　　在所有指令執(zhí)行完畢后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)（接通/斷開）在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一

82、定的方式輸出，驅(qū)動外部負(fù)載。</p><p>　　3、輸入輸出滯后時間</p><p>　　輸入輸出滯后時間又稱系統(tǒng)響應(yīng)時間，是指PLC的外部輸入信號發(fā)生變化的時間到它的控制的有關(guān)外部輸出信號發(fā)生變化的時刻之間的時間間隔，它由輸入電路的濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式的滯后時間三部分組成。</p><p>　　3.1.3高速脈沖輸出</p>

83、<p>　　脈沖寬度與脈沖周期之比稱為占空比，脈沖列(PTO)功能提供周期與脈沖數(shù)目可以由占空比控制的占空比為50%的方波脈沖輸出。脈沖寬度調(diào)制(PWM)功能提供連續(xù)的、周期與脈沖寬度可以由用戶控制的輸出。</p><p>　　每個CPU有兩個PTO/PWM發(fā)生器，分別通過數(shù)字量輸出點Q0.0或Q0.1輸出搞死脈沖列或脈沖寬度可調(diào)的波形。</p><p>　　PTO/PWM發(fā)生

84、器與輸出映像寄存器共同使用Q0.0及Q0.1。當(dāng)Q0.0或Q0.1被設(shè)置為PTO或PWM功能時，TO/PWM發(fā)生器控制這些輸出點，在該輸出點禁止使用數(shù)字量輸出功能，此時輸出波形不受輸出映像寄存器的狀態(tài)、輸出強制或立即輸出指令的影響。不使用TO/PWM發(fā)生器時，Q0.0與Q0.1作為普通的數(shù)字輸出使用。建議在啟動PTO或PWM操作之前，用R指令將Q0.0或Q0.1的映像寄存器置為0.</p><p>　　本次設(shè)計采

85、用PTO控制，Q0.0與Q0.1發(fā)脈沖控制兩臺步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動，Q0.2與Q0.3控制兩臺步進(jìn)電機的方向。</p><p><b>　　3.2步進(jìn)電機</b></p><p>　　步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時就驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），其旋轉(zhuǎn)以固定的角度運行?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制

86、角位移量以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機作為一種控制用的特種電機，因其沒有積累誤差（精度為100%）而廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機實物圖如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 步進(jìn)電機</p><p>　　3.2.1步進(jìn)電機的分類和結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　1、步進(jìn)

87、電機的分類</b></p><p>　　現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機包括反應(yīng)式步進(jìn)電機（VR）、永磁式步進(jìn)電機（PM）、混合式步進(jìn)電機（HB）和單相式步進(jìn)電機等?！　∮来攀讲竭M(jìn)電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；　　反應(yīng)式步進(jìn)電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化

88、產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?！　』旌鲜讲竭M(jìn)電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機的應(yīng)用最為廣泛，也是本次細(xì)分驅(qū)動方案所選用的步進(jìn)電機。</p><p>　　兩相混合式步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)</p><p>　　步進(jìn)電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機供電，

89、步進(jìn)電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進(jìn)電機分時供電的，多相時序控制器。雖然步進(jìn)電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機并不能象普通的直流電機，交流電機那樣在常規(guī)下使用。步進(jìn)電機必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。</p><p>　　圖3-4 混合式步進(jìn)電機的定子(a)和轉(zhuǎn)子(b)</p><p>　　在工業(yè)控制中采用如圖3-4所示的定子磁極上帶有小齒、轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多的結(jié)構(gòu)，其步

90、距角可以做得很小。如圖3-4兩相混合式步進(jìn)電動機的結(jié)構(gòu)圖，和圖3-5步進(jìn)電機繞組接線圖，A、B兩相繞組沿徑向分相，沿著定子圓周有8個凸出的磁極，a、c磁極屬于A相繞組，b、d磁極屬于B相繞組，定子每個極面上有5個齒、極身上有控制繞組。轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼和兩段鐵芯組成環(huán)形磁鋼和轉(zhuǎn)子中部、軸向充磁，兩段鐵芯分別裝在磁鋼的兩端，使得轉(zhuǎn)子軸向分為兩個磁極。轉(zhuǎn)子鐵芯上均勻分布50個齒，兩段鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距，定、轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬相同。<

91、;/p><p>　　圖3-5 混合式步進(jìn)電機繞組接線圖3.2.2步進(jìn)電機的特點和缺點的克服</p><p><b>　　1、步進(jìn)電機的特點</b></p><p>　?。?）．一般步進(jìn)電機的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積?！　。?)．步進(jìn)電機外表允許的最高溫度?！　〔竭M(jìn)電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因

92、此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常?！　?3)．步進(jìn)電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降?！　‘?dāng)步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降?！　?4)．步進(jìn)電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但

93、若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。　　步進(jìn)電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。</p><p><b>　　2、克服缺點的方法<

94、/b></p><p>　　步進(jìn)電機低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服：* W( K- R4</p><p>　　A.如步進(jìn)電機正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區(qū)； B.采用帶有細(xì)分功能的驅(qū)動器，這是最常用的、最簡便的方法；

95、 </p><p>　　C.換成步距角更小的步進(jìn)電機，如三相或五相步進(jìn)電機； </p><p>　　D.換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高； </p><p>　　E.在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產(chǎn)品，但機械結(jié)構(gòu)改變較大。</p><p>　　3.2.3應(yīng)用中的注意點6 m' o'

96、; ^4 C' j7 w% J+ h& T0 U- |+ i+ h9 Y8 J, W5 B9 y! A1、步進(jìn)電機應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。: ~- |$ O: I. j; x$ S1 P2、步進(jìn)電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。5 U- E&

97、; s# @0 d4 e$ j3 k$ j4 Z* O3、由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓，當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源， 不過要考慮溫升。$ [" q1 I" K+ `5 n: q- J4、轉(zhuǎn)動慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機座號電機。5 V0 k: n0 V& k. Y5、電機在較高速或大慣量負(fù)載時，

98、一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。- W9 K3 E6 X: q6、高</p><p><b>　　3.3驅(qū)動器</b></p><p>　　3.3.1驅(qū)動器概述</p><p>　　1.由于本設(shè)計中選用了兩相混合式步進(jìn)電機，故此采用細(xì)分型兩相混合式步進(jìn)電機驅(qū)動器DQ542.其實

99、物如圖3-4所示</p><p>　　圖3-6 驅(qū)動器DQ542</p><p>　　DQ542型細(xì)分型兩相混合式步進(jìn)電機驅(qū)動器，采用直流18～50V供電，適合驅(qū)動電壓18V～50V，電流小于4.0A外徑42～86毫米的兩相混合式步進(jìn)電機。此驅(qū)動器采用交流伺服驅(qū)動器的電流環(huán)進(jìn)行細(xì)分控制，電機的轉(zhuǎn)矩波動很小，低速運行很平穩(wěn)，幾乎沒有振動和噪音。高速時力矩也大大高于其它二相驅(qū)動器，定位精度

100、高。廣泛適用于雕刻機、數(shù)控機床、包裝機械等分辯率要求較高的設(shè)備上。</p><p><b>　　2.主要特點</b></p><p>　　(1) 平均電流控制，兩相正弦電流驅(qū)動輸出</p><p>　　(2) 直流18～50V供電</p><p>　　(3 )光電隔離信號輸入/輸出</p><p>

101、;　　(4) 有過壓、欠壓、過流、相間短路保護(hù)功能</p><p>　　(5) 十五檔細(xì)分和自動半流功能</p><p>　　(6) 八檔輸出相電流設(shè)置</p><p>　　(7) 具有脫機命令輸人端子</p><p>　　(8) 電機的扭矩與它的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與電機每轉(zhuǎn)的步數(shù)無關(guān)</p><p><b>　　

102、(9) 高啟動轉(zhuǎn)速</b></p><p>　　(10).高速力矩大</p><p><b>　　3.2.2接口定義</b></p><p><b>　　1、控制信號定義</b></p><p>　　PUL+(+5V)： 步進(jìn)脈沖信號輸入正端或正向步進(jìn)脈沖信號輸入正端</p&g

103、t;<p>　　PUL-(PUL)： 步進(jìn)脈沖信號輸入負(fù)端或正向步進(jìn)脈沖信號輸入負(fù)端</p><p>　　DIR+(+5V)： 步進(jìn)方向信號輸入正端或反向步進(jìn)脈沖信號輸入正端</p><p>　　DIR-(DIR)： 步進(jìn)方向信號輸入負(fù)端或反向步進(jìn)脈沖信號輸入負(fù)端</p><p>　　ENBL+(+5V)： 脫機使能復(fù)位信號輸入正端<

104、;/p><p>　　ENBL-(ENB： 脫機使能復(fù)位信號輸入負(fù)端</p><p>　　脫機使能信號有效時復(fù)位驅(qū)動器故障，禁止任何有效的脈沖，驅(qū)動器的輸出功率元件被關(guān)閉，電機無保持扭矩。</p><p>　　2、功能選擇（SW1-SW8的定義）</p><p>　　(1)設(shè)置電機每轉(zhuǎn)步數(shù)</p><p>　　驅(qū)動器可將電

105、機每轉(zhuǎn)的步數(shù)分別設(shè)置為400、800、1600、3200、6400、12800、25600、1000、2000、4000、5000、8000、10000、20000、25000步。用戶可以通過驅(qū)動器正面板上的撥碼開關(guān)的SW5、SW6、SW7、SW8位來設(shè)置驅(qū)動器的步數(shù)（如表1）：</p><p><b>　　表1</b></p><p><b>　　(2)控

106、制方式選擇</b></p><p>　　撥碼開關(guān)SW4位可設(shè)置成兩種控制方式：</p><p>　　當(dāng)設(shè)置成“OFF”時，為有半流功能。</p><p>　　當(dāng)設(shè)置成“ON”時，為無半流功能。</p><p>　　(3)設(shè)置輸出相電流</p><p>　　為了驅(qū)動不同扭矩的步進(jìn)電機，用戶可以通過驅(qū)動器面板上

107、的撥碼開關(guān)SW1、SW2、SW3位來設(shè)置驅(qū)動器的輸出相電流（有效值）單位安培，各開關(guān)位置對應(yīng)的輸出電流，不同型號驅(qū)動器所對應(yīng)的輸出電流值不同。具體見表2。</p><p><b>　　表2</b></p><p><b>　　(4)半流功能</b></p><p>　　半流功能是指無步進(jìn)脈沖500ms后，驅(qū)動器輸出電流自動

108、降為額定輸出電流的70%，用來防止電機發(fā)熱。</p><p><b>　　功率接口</b></p><p>　　(1)連接驅(qū)動器電源</p><p>　　DC+：直流電源正級，電源電壓直流16～55V。最大電流是5A。</p><p>　　DC-：直流電源負(fù)級。</p><p>　　(2)A+

109、A- B+ B-：連接兩相混合式步進(jìn)電機</p><p>　　驅(qū)動器和兩相混合式步進(jìn)電機的連接采用四線制，有高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)距兩種接法。</p><p>　　高轉(zhuǎn)速時A+：黑色 A-：黃色 B+：紅色 B-：白色</p><p>　　高轉(zhuǎn)矩時A+：黑色 A-：綠色 B+：紅色 B-：藍(lán)色</p><p>　　電機繞組有

110、并聯(lián)和串聯(lián)接法，并聯(lián)接法，高速性能好，但驅(qū)動器電流大(為電機繞組電流的1.73倍)，串聯(lián)接法時驅(qū)動器電流等于電機繞組電流。</p><p><b>　　3.4位置開關(guān)</b></p><p>　　1、位置開關(guān)的作用及分類</p><p>　　位置開關(guān)，又稱限位開關(guān)，是一種將機器信號轉(zhuǎn)換為電氣信號，以控制運動部件位置或行程的自動控制電器。是一種常

111、用的小電流主令電器。</p><p>　　在電氣控制系統(tǒng)中，位置開關(guān)的作用是實現(xiàn)順序控制、定位控制和位置狀態(tài)的檢測。用于控制機械設(shè)備的行程及限位保護(hù)。構(gòu)造：由操作頭、觸點系統(tǒng)和外殼組成。 　</p><p>　　在實際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機械運動部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關(guān)是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路

112、的電器，它的作用原理與按鈕類似?！　⌒谐涕_關(guān)廣泛用于各類機床和起重機械，用以控制其行程、進(jìn)行終端限位保護(hù)。在電梯的控制電路中，還利用行程開關(guān)來控制開關(guān)轎門的速度、自動開關(guān)門的限位，轎廂的上、下限位保護(hù)。</p><p>　　分類：一類為以機械行程直接接觸驅(qū)動，作為輸入信號的行程開關(guān)和微動開關(guān)；另一類為以電磁信號（非接觸式）作為輸入動作信號的接近開關(guān)。</p><p>　　位置開關(guān)的構(gòu)造和原

113、理</p><p><b>　　(1)行程開關(guān)</b></p><p>　　行程開關(guān)利用生產(chǎn)機械運動部件的碰撞使其觸頭動作來實現(xiàn)接通或分?jǐn)嗫刂齐娐?，達(dá)到一定的控制目的。通常，這類開關(guān)被用來限制機械運動的位置或行程，使運動機械按一定位置或行程自動停止、反向運動、變速運動或自動往返運動等。行程開關(guān)由操作頭、觸點系統(tǒng)和外殼組成。，按其結(jié)構(gòu)，可分為直動式（按鈕式）、滾動式（旋