发布时间 : 星期一 文章精品基于串口通信的步进电机调速系统设计-定 - 图文更新完毕开始阅读
内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
电机的最主要的性能指标之一。
2. 单步运行特性
加一个控制脉冲改变一次通电状态，步进电动机的这种工作状态称为单步运行。 (1)稳定区。设初始时对应于步进电动机U相的矩角特性曲线如图3．18所示。在外力矩作用下步进电动机转子偏离一角度日θe (θe为用电角度表示的定子齿轴线与转子齿轴线之夹角)，只要满足—π＜θe＜π，当外力矩消失后，在步进电动机自身的电磁力矩作用下转子仍能回到原平衡点O，将—π至π区间称为步进电动机的静稳定区。若改变步进电动机通电状态，如V相通电，矩角特性向前移动一个距角θbe(电角度)如图3．18所示的曲线V，新的平衡点O1，对应的新稳定区为(—π十θbe)至(π十θbe)。在改变通电状态前或改变过程中，只要转子的步进角θe满足(—π十θbe)＜θe＜(π十θbe)。步进电动机转子就可趋向新的平衡点，称区间(—π十θbe)至(π十θbe)为动稳定区。 · (2)单步运行特性 改变通电状态，由U相转为V相，矩角特性便从U相平衡点O跃到V相矩角特性的a点，转子在正电磁力矩作用下加速地向新平衡点O1转动。到达O1时，由于转子积累的动能使其冲过平衡点继续转动，这时转子受到与转角相反方向的电磁力矩作用(负电磁力矩)，试图将转子拉回到O1点，转子开始减速为零。虽然转子冲过平衡点，但只要转角θe不超过动稳定区，即：θe＜(π十θbe)，在负电磁力矩作用下仍可返回新平衡点O1。同理，当返回到O1时，由于积累的动能使转子又反方向冲过O1点，在正电磁力矩作用下又可返回新平衡点O1，。 步进电动机转子的力矩方程为 Te?Jd2?d?1?d2?ed?e??C??J?C? （2.7） dt2dtz?dt2dt?式中：Te为电磁力矩；J为转子转动惯量，θ为转子小齿轮轴线与定子齿轴线间夹角；z为转子齿数；C为转子旋转部分的阻尼系数。
Te=Tmsin（θbe—θe）=Tm（θbe—θe） （2.8） 式中：Tm为电磁力矩最大值。 由上式可得
Tm（θbe—θe）= 也可写成
1?d2?ed?e??C?J? （2.9）
z?dt2dt? 12
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1?d2?ed?e??C?J?+ Tmθe=Tmθbe （2.10）
z?dt2dt?令 ?n?率）
因此，步进电动机阻尼固有角频率为
CTmz （步进电动机无阻尼固有角频率）， ??J2TmzJ（步进电动机阻尼
?0??n1??2?步进电动机阻尼固有频率为
f0?2??0?12J4JTmz?C2 （2.11）
?J4JTmz?C2 （2.12）
3.加减速特性
描述了步进电动机由静止到工作频率或由工作频率到静止的加减速过程中，励磁绕组通电状态的变化频率f与时间t的关系。当要求步进电动机起动到大于起动频率的工作频率f时，速度必须上升；当从最高工作频率fmax一或高于起动频率的工作频率f停止时，速度必须下降。步进电动机在起停和调速过程中，其加减速的时间常数?a和?b不能过小，否则会出现失步或越步，使用中应加以注意。
4.脉冲信号频率对电机运行的影响
当脉冲信号频率很低时，控制脉冲以矩形波输入，电流波形比较接近于理想的矩形波。如果脉冲信号频率增高，由于电动机绕组的电感有阻止电流变化的作用，因此电流波形发生畸变。在开始通电瞬间，由于电流不能突变，其值不能立即升起，故使转矩下降，使起动转矩减小，有可能起动不起来。在断电的瞬间，电流也不能迅速下降，而产生反转矩致使电动机不能正常工作。如果脉冲频率很高，则电流还来不及上升到稳定值I就开始下降，于是，电流的幅值降低。因而产生的转矩减小致使带负载的能力下降。故频率过高会使步进电动机起动不了或运行时失步而停机。因此，脉冲信号频率不能过高过低，要有一定的限制 2.3.6步进电机的选型
本设计选择的电机型号为45BF008；步距角为1.5o ；步进电机空载启动频率500HZ——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
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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）；选择低于启动频率480HZ 设定启动转速为25转/分，电机六拍工作方式时电机步距角为1.5o/s，电机转动一圈为360o ，360/1.5=240个脉冲；240个脉冲/s走一圈。240*25=6000个脉冲/ 分（100脉冲/s），推出1000ms/100=10ms/脉冲。
2.4步进电机驱动电路
为了提高步进电机系统的性能和效率，一般对驱动电路有如下要求：
(1)通电周期内能提供足够大的矩形波或类似矩形波的电流；
(2)具有截止电流释放回路，以降低相绕组两端的反电势，加快电流衰减； (3)驱动电源效率高，功耗低，运行可靠、稳定； (4)成本低，便于生产。
如果脱离了驱动电路来谈步进电机的性能是不恰当的，所以我们先了解步进电机的驱动方式，步进电机的驱动方式有多种，我们可以根据实际的需要来选用合适的驱动方式。 2.4.1单电压驱动
单电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源对绕组供电。如图2.7所示：
TR1驱动脉冲R2单项绕组+V
图2.7单电压驱动电路
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电路中的限流电阻R1决定了时间常数(步进电机的励磁绕组是一个电感线圈，其电感L和回路总电阻R总之比称为电机驱动回路的时间常数??L/R总)，但R1太大会使绕组供电电流减小。这一矛盾不能解决时，会使电动机的高频性能下降。可在R1两端并联一个电容以使电流的上升波形变陡，来改善高频特性。但这样做又使低频性能变差。这种驱动方式的优点是：电路简单；缺点：R1在工作中要消耗一定能量，所以电路损耗大，效率低。 2.4.2 双电压驱动
双电压驱动有两种方法：双电压法和低电压法。 1.双电压法
双电压法的基本思路是：在低频段使用较低的电压驱动，在高频段用较高的电压驱动。当电机工作在低频时，给T1低电平，使T1关断。这时电动机的绕组低电压VL供电，控制脉冲通过T2使绕组得到低压脉冲电源。如图2.8所示。
图2.8双电压法驱动电路
RD1LT2+VHT1D2+VL当电机工作在高频时，给T1高电平使T1打开。这时二极管D2方向截止，切断低电压电源VL，电机绕组由高电压VH供电，控制脉冲通过 T2使绕组得到高压脉冲电源。这种驱动方法的优点：当电机工作在高频段时有很好的高频性能；
缺点：没法摆脱单电压驱动的弱点，在限流电阻R上仍然会产生损耗和发热。
2.高低压法
高低压法的基本思路是：不论电动机工作的频段如何，在绕组通电的开始用高压供电，使套组中电流迅速上升，而后用抵押来维持绕组中的电流。高低压驱动电路的原理如图2.9所示。高压开关管T1的输入脉冲UH与低压开关管T2的输
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