第一章 绪论
目前世界上发达国家生产和使用的数量日益增多,它作为工业控制器广泛地应用于冶金生产、汽车制造、石油化工、轻工食品、能源、交通等几乎所有工业领城。其控制方法也从简单的单机开关量控制向过程控制、数字控制和多机网络控制方向发展。传统电器控制, 使用最多的电器是继电器, 而且继电器控制采用固定接线,很难适应产品机型的更新换代。生产线承担的加工对象改变后,加工控制程序随之改变要求。对于大型自动化生产线的控制系统使用的继电器数很多, 这些有触点的电器工作频率较低, 在频繁动作的情况下, 寿命较短, 容易造成系统故障,使生产运行的可靠性、稳定性降低。使用比可编程控制器实现三相六拍步进电机驱动,可使步进电机动作的抗干扰能力强、可靠性高,同时,由于实现了模块化结构, 使系统构成十分灵活,而且编程语言简单易学,便于掌握。可以进行在线修改,柔性好,体积小,维修方便。 步进电动机具有快速起停、精确步进和定位等特点,所以常用作工业过程控制及仪器仪表的控制元件。目前,比较典型的控制方法是用单片机产生脉冲序列来控制步进电机。但采用
单片机控制,不仅要设计复杂的控制程序和I/O接口电路,实现比较麻烦,而且对工业现场的恶劣环境适应性差,可靠性不高。基于PLC 控制的步进电机具有设计简单,实现方便,定位精度高,参数设置灵活等优点,在工业过程控
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制中使用,可靠性高,监控方便。
1.1 步进电机的主要特性
（1）步距角和静态步距误差: 步进电机的步距角?是决定开环伺服
系统脉冲当量的重要参数, 数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为0.5°～0.3°。一般情况下, 步距角越小, 加工精度越高, 静态步距误差指理论的步距角和实际的步距角之差, 以分表示, 一般在10°以内。步距误差主要由步进电机齿距角制造误差、定子和转子间气隙不均匀、各相电磁转矩不均匀等因素造成的, 步距误差直接影响工作的加工精度以及步进电机的动态特性。物联网天线
（2）动频率fd： 空载时, 步进电机由静止突然启动, 并进人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fd表示, 若启动频率大于突跳频率, 步进电机就不能正常启动, fd与负载惯量有关, 一般说来随着负载惯量的增长而下降。空载启动时, 步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于突跳频率。
（3）连续运行的最高工作频率fmax：步进电机连续运行时, 它所能接受的, 即保证不丢步运行的极限频率fmax称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数, 它决定了步进电机的最高转速。其值大于fq, 并且随着负载的性质和大小而异， 与驱动电源也有关系。
（4）加减速特性： 步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中, 定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频而停止时,变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和逐渐下降的加速时间、减速不能过小, 否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数来描述步进电机的升速和降速特性见下图。
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(5)矩频特性与动态转矩：矩频特性M=F(f), 图1-2是描述转矩一频
率关系的曲线, 该特性曲线上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。可见, 动态转矩随连续频率的上升或下降。电厂脱硫塔防腐>密封套
上述步进电机的主要特性除第一项外, 其余均与电源有很大关系。驱动电源性能好, 步进电机的特性可能得到明显改善。
图1-1转矩一顺率特性曲线
1.2 步进电动机的优缺点
优点：
1． 电机旋转的角度正比于脉冲数；
2． 电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）； 3． 由于每步的精度在3%-5%，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性； 4． 优秀的起停和反转响应；
5． 由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；
6． 电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本较低；
7． 仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。
8． 由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。 缺点：
1． 如果控制不当容易产生共振； 2． 难以运转到较高的转速。 开环控制：
步进电机最有意义的一个优点就是在开环系统里可以实现精确的控制。开环控制意味着不需要关于（转子）位置方面的反馈信息。
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这种控制避免了使用昂贵的传感器以及象光学编码器这样的反馈设备，因为只需要跟踪输入的步进脉冲就可以知道你（转子）的位置。 1.3 步进电机在低速运行时存在的问题及解决方法
步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构。其主要优点是有较高的定位精度，无位置累积误差；特有的开环运行机制，与闭环控制系统相比降低了系统成本，提高了可靠性，在数控领域得到了广泛的应用。但是，步进电机在低速运行时的振动、噪声大，在步进电机的自然振荡频率附近运行时易产生共振，且输出转矩随着步进电机的转速升高而下降，这些缺点限制了步进电机的应用范围。步进电机的性能在很大程度上取决于所用的驱动器，改善驱动器的性能，可以显著地提高步进电机的性能。
下图为自激式恒电流斩波驱动框图。把步进电机绕组电流值转化为一定比例的电压，与D／A转换器输出的预设值进行比较，控制功率管的开关，从而达到控制绕组相电流的目的。
从理论上讲，自激式恒电流斩波驱动可以将电机绕组的电流控制在某一恒定值。但由于斩波频率是可变的，会使绕组激起很高的浪涌电压，因而对控制电路产生很大的干扰，容易产生振荡，可靠性大大降低。
为了解决自激式斩波频率可变引起的浪涌电压问题，可在D触发器加一个固定频率的时钟。这样基本上能解决振荡问题，但仍然存在
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一些问题。比如：当比较器输出的导通脉冲刚好介于D触发器的2个时钟上升沿之间时，该控制信号将丢失，一般可通过加大D触发器时钟频率解决。
1.4 三相六拍步进电机
三相六拍步进电机是一典型单定子、径向分相、反应式伺服电机。其结构原理图如图1-2
所示。它与普通电机一样, 分为定子和转子两部分, 其中定子又分为定子铁芯和定子绕组。定子铁芯由电工钢片叠压而成。定子绕组绕制在定子铁芯上, 六个均匀分布齿上的线圈, 在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起, 构成一相控制绕组。三相步进电机可构成三相控制绕组, 若任一相绕组通电, 便形成一组定子磁极, 其方向即图1-2中所示的N3极。在定子的每个磁极上, 即定子铁芯上的每个齿上开了五个小齿, 齿槽等宽, 齿间夹角为9°, 转子上没有绕组, 只有均匀分布的个40小齿, 齿槽也是等宽的, 齿间夹角也是, 与磁极上的小齿一致。此外, 三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1／3齿距, 如图1.4所示。当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时, B相磁极上的齿刚好超前或滞后转子齿轮1／3齿距角, C相磁极齿超前或滞后转子齿2／3齿距角。
图1-2 单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理圈
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