数控技术毕业设计（论文）-步进电机在数控机床中的应用.doc

郑州工业安全职业技术学院毕业论文郑州工业安全职业技术学院毕业论文 题 目 步进电机在数控机床中的应用姓 名 *坤 系 别 机电工程 专 业 数控技术 年 级 09-4 指导教师 徐钦 2012年 03月 01日目录第一章 步进电机结构 第一节步进电机结构简介第二章 步进电机驱动原理 第一节单极性驱动和双极性驱动电路 第二节不同驱动方式的原理及特点第三章 步进电机脉冲分配原理 第一节脉冲发生器和脉冲分配器 第二节集成电路芯片示例pmm8713第四章 步进电机在数控机床的应用第一节步进电机的工作特点第二节步进电机在数控机床中的应用第三节步进电机的发展趋势摘要随着数控机床在航空、航天、造船、汽车、模具等机械制造领域的广泛应用，现代机械制造技术发生了巨大的变化。在数控技术影响着工业生产的同时，数控一词也风靡了大江南北。当我们提起数控技术自然会想到它的无数优点，而在这些众多优点中最令人印象深刻的也许就是其催精度、催效率。那么数控机床是如何做到这些的呢?本文将解答这一问题，并结合数控机床介绍步进电机的应用。 关键词：步进电机 数控机床 应用第一章步进电机结构 按照励磁方式分类，步进电机可分为反应式、永磁式和感应子式。其中反应式步进电机用的比较普遍，结构也较简单。本课题采用的也是此类电机。 反应式步进电机又称为磁阻式步进电机，其典型结构如图1所示。这是一台三相电机，定子铁心由硅钢片叠成，定子上有6个磁极，每个磁极上又各有5个均匀分布的矩形小齿。三相电机共有三套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。转子也是由叠片铁心构成，转子上没有绕组，而是由40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两齿之间的夹角为9度。 下面简述其工作原理。当某相绕组通电时，对应的磁极就会产生磁场，并与转子形成磁路。若此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子转动一定的角度使转子齿与定子齿对应。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。例如，在单三拍运行方式中，当a相控制绕组通电，而b、c相都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，所以转子齿与a相定子齿对齐。若以 此作为初始状态，设与a相磁极中心磁极的 图1 步进电机剖面结构 转子齿为0号齿，由于b相磁极与a相磁极相差120度,且120度/9度13.333不为整数，所以，此时13号转子齿不能与b相定子齿对齐，只是靠近b相磁极的中心线，与中心线相差3度。如果此时突然变为b相通电，而a、c相都不通电，则b相磁极迫使13号小齿与之对齐，整个转子就转动3度。此时称电机走了一步。 同理，我们按照abca顺序通电一周，则转子转动9度。转速取决于各控制绕组通电和断电的频率（即输入脉冲频率），旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。如上述绕组通电顺序改为acba则电机转向相反。 这种按abca方式运行的称为三相单三拍，“三相”是指步进电机具有三相定子绕组，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指三次换接为一个循环。 此外，三相步进电机还可以以三相双三拍和三相六拍方式运行。三相双三拍就是按abbccaab方式供电。与单三拍运行时一样，每一循环也是换接3次，共有3种通电状态，不同的是每次换接都同时有两相绕组通电。三相六拍的供电方式是aabbbcccaa每一循环换接六次，共有六种通电状态，有时只有一相绕组通电，有时有两相绕组通电。磁阻式步进电机的步距角可由下边公式求得 式中mc为控制绕组相数，c为状态系数，三相单三拍或双三拍时c1，三相六拍时c2。zr为转子齿数，本课题使用的36bf003型步进电机转子齿数为40。减小步距角的途径 由式可知，本课题使用的步进电机未细分时能达到的最小步距角为1.5度（三相六拍模式）。转速较高时，由于转子本身的惯性，电机可近似看作匀速转动。但在低速运行时，较大的步距角造成两步之间的时间间隔较长，在下一个电脉冲到来之前转子已经停止转动，由此造成运行的不连续及低频振动。此外实际应用中1.5度的步距角往往不能满足精度需要，为了提高精度，要求一个脉冲对应的位移量小，即步进电机的步距角小。减小步距角有以下四种方法：1、增加步进电机控制绕组的数量。由式可知，步距角q与绕组数mc成反比，mc越大则q越小。三相步进电机单拍运行时的步距角为3度（40转子齿），如果采用四相电机，则步距角减小到1.8度（50转子齿）。但是相数越多电机结果越复杂，制造越困难，靠增加相数减小步距角的成本很高。2、增加拍数。即增大状态系数c。由式知状态系数也与步距角成反比，增加拍数相当于增加绕组相数。三相步进电机单三拍运行时步距角为3度，采用三相六拍模式后步距角减小到原来的一半。但步进电机所能实现的拍数同绕组相数直接相关，三相步进电机最多能实现的拍数是六拍，四相电机最多八拍。靠增加拍数减小的步距角有限。3、增加转子齿数zr。由于zr与步距角q成反比，增加转子齿数也能减小步距角。但受加工精度、制造成本限制，转子齿数不能无限增多。4、采用细分电路。对于一个步进电机，采用细分电路后其步距角减小为原来的1/n（n为细分数）。理论上n可以无限增大，从而步距角q可以无限减小。细分电路对于任何反应式步进电机都适用，尤其是步距角较大的低端步进电机，能显著减小步距角，提高运动精度，从而在某些场合可以代替高端步进电机。第二章步进电机驱动原理第一节单极性驱动和双极性驱动电路 驱动电路即是功率放大器，它将脉冲分配器送来的触发信号放大，以足够的功率来驱动步进电动机。通常由脉冲分配器与功率放大器组成步进电动机驱动器。从步进电动机的绕组形式来看，驱动电路可划分为单极性和双极性电路两种。单极性电路中，相电流流经绕组始终只有一个方向，如图11.24所示。单极性电路一般用于磁阻式步进电动机和带中心抽头的永磁式步进电动机。由于绕组利用率低，故电动机输出转矩较小，但是驱动电路简单，成本较低。 双极性驱动方式时，相电流在同一绕组中有两个流动方向（见图11.32），其绕组利用率高，输出转矩大，但与单极性绕组相反，驱动电路复杂，成本高。第二节不同驱动方式的原理及特点 (1)恒压驱动方式 恒电压驱动方式是指步进电动机绕组上加上恒定的电压，如图11.33(a)所示。这种驱动方式的电路相当简单，流经绕组中的电流以时间常数1=la/ra（la为绕组的等效电感，ra为绕组的等效电阻）上升，直至稳定状态。当电动机高速运转时，流经绕组的电流还未上升到稳定状态就被关断，相应的平均电流减少而导致输出转矩下降。 为改善高速状态的电动机转矩特性，通常在连接电动机绕组的线路中串联一个无感电阻，并外加更高的电压，如图11.33(b)所示，此时线路的电气时间常数2=la/(ra+rs)（rs为外加电阻阻值），2与1相比要减小很多，绕组电流的上升坡度变陡，平均电流因此而提高，输出转矩随之增加，但在电阻民上要损耗过多的能量，因此通常选择rs=(23)ra。 (2)高低压切换驱动方式 高低压驱动方式是恒电压驱动方式的改进型，它使用两种电压电源，即步进电动机额定电压和比它高几倍的电压电源。此方式可改善电动机启动时的电流前沿特性，如图11. 34所示。 当某相绕组开始导通时，高压功率管t1与低压功率管t2同时导通，此时加到绕组上的电压为高端电压eh，上升电流具有较陡的前沿特性。当电流上升到额定值时，高压功率管t1关闭，只剩下低压功率管t2以维持相电流。这种电路常用于大功率驱动电源，其特点是功耗较低，高频出力较大。 (3)恒流斩波驱动方式恒电流驱动是一种采用斩波技术，使电动机在从低速到高速运行范围内保持绕组电流恒定的一种驱动方式。它弥补了高低电压电路相电流波形有凹点的缺陷，提高了输出转矩，是目前控制场合使用最为广泛的一种线路。图11.35所示的恒流斩波电路中有一个电压比较器。当开关功率晶体管t1导通时，绕组电流在取样电阻rs上产生一个电压us，当us上升到设定电压uref时，由比较器比较后产生信号使大功率晶体管t1关断，绕组电流下降并导致us下降，当us小于uref-定值时，比较器电平翻转又使大功率晶体管t1开通，从而使绕组电流保持在额定电流上下的一定范围内。由于线路中没有外接附加电阻，而取样电阻rs很小，因此整个线路的损耗相当小，而电动机绕组电流却能在运行范围内保持恒定，电动机恒转矩输出范围增大。为了保证电流响应的快速性，这种方式下应使用比电动机额定值高得多的供电电压。该电路在低频时会使电动机产生严重的振荡，系统设计时应尽量避开这个振荡区域。微步距驱动控制技术（细分技术） 在前面双三拍和单双六拍的讨论中，我们已经知道以相同的电流激励两相绕组，将获得半步的动作，使转子到达介于两个单相驱动的位置中间的位置。那么不难想象，如果两相绕组的电流不相等将导致转子位置偏向于磁场较强的定子磁极，这种效应在微步距驱动技术中得到应用。通过按比例地调节两相绕组中的电流，将电动机的基本步距角细分，步距角大为减小，低速下运行的流畅性得到极大的改善。高分辨率的细分驱动可将一个整步细分到多至500微步，导致每转可达十万步。在这种条件下，绕组中的电流模式类似相位差为90的两个正弦波（图11. 36），电动机运行起来像一台交流同步电动机。 微步距技术使步进电动机步距细化，分辨率有所提高，振动噪声和转矩波动问题得到很大改善，运转更为平稳，使步进电动机在高级控制系统中获得更大的竞争力。第三章 步进电机脉冲分配原理 第一节脉冲发生器和脉冲分配器步进电动机与交直流电动机不同之处是，仅仅接上供电电源它是不会运行的，图11.29表示步进电动机的驱动和控制系统的基本组成。该系统包括步进电动机、脉冲发生器、脉冲分配器、功率放大器以及直流功率电源等五个部分。较复杂的驱动控制系统带有位置反馈的环节，组成闭环系统。 脉冲发生器是产生步进电动机角位移或速度的控制脉冲电路。步进电动机运行的转角或转速由脉冲发生器的脉冲频率(hz或脉冲/s)所确定。步进电动机的转角正比于输入的脉冲数，对应于脉冲信号数量，它是频率和时间的乘积。例如一个步距角为1.8。的步进电动机要旋转90，则根据1.8n=90，得到脉冲信号数量n50。=n0式中-转角()；n-脉冲个数； 0-步距角（/步）。 步进电动机的步距角是由其设计结构决定的，在以一般方式运行时，步进电动机的转角只能是步距角的整数倍，因此在设计步进电动机驱动系统时，必须考虑其步距角。 由硬件制作的脉冲发生器电路不胜枚举，学过数字电路的读者应该比较熟悉。在当前微处理器大量渗透传动技术的形势下，利用微处理器的软硬件资源实现脉冲发生器的功能也是很容易的，在第12章中将对此有所介绍。 脉冲分配器是时序逻辑电路的一种，它接受脉冲发生器的控制脉冲信号，输出按一定时序排列的多路电平信号。通常电机的脉冲分配器为环形分配器，即时序按环形移位封闭排列。脉冲分配器的工作方式是与步进电动机的相数、拍数、运行状态、正反转等要求有关。脉冲分配器可以由分立元件组成数字电路，但较复杂、可靠性差。目前，脉冲分配器大多采用专用集成电路来组成，以完成各种脉冲分配方式。第二节集成电路芯片示例pmm8713 pmm8713是一个16引脚的专门用于步进电机脉冲分配的集成电路芯片，具有把时钟脉冲分配给三相或四相绕组的功能，其原理图见图11.30。它有六种脉冲分配方式可供选择（三相三种，四相三种）。该电路采用cmos铝栅工艺结构，输入端与标准cmos兼容，而且均采用施密特整形电路；输出端驱动能力不低于20ma，同时还将控制器的状态变成检测信号输出。 pmm8713各引脚功能简述如下： 1脚(cu)-正转时钟脉冲输入端。当该端有脉冲输入时，在输出端14将有正转脉冲序列输出。 2脚(cd) -反转时钟脉冲输入端。当该端有脉冲输入时，在输出端14将有反转脉冲序列输出。 3脚(ck) -正反转时钟脉冲输入端。 4脚(u/d) -正反转控制端。 芯片提供了灵活选择两种时钟脉冲输入模式的手段。前者通过1、2两脚分别输入正转或反转两种脉冲，后者通过3脚输入脉冲序列，至于是正转还是反转则由4脚控制。这两者方式不能同时使用，如采用1、2脚输入时钟脉冲，则3、4脚应接低电平；如采用3、4脚输入模式，则1、2脚应接低电平。 5、6脚(ea、eb) -励磁切换控制。当ea.eb同时为低电平“o”时，输出为双励磁方式（对于三相电机来说，相当于双三拍方式）；当ea.eb为不同电平时，输出为单励磁方式（对于三相电机来说，相当于单三拍方式）；当ea、eb同时为高电平“1”时，输出为12双励磁方式（对于三相电机来说，相当于六拍方式）。 7脚（c）-三相/四相控制。该端为低电平“o”时，为三相输出；为高电平“1”时，为四相输出。 8脚(uss) -电源接地端。 9脚(r) -复位端。将输出复位到初始状态j 1013脚（41）-各相信号输出端。输出端驱动能力不低于20ma。 14脚(em)-励磁方式检测输出。 15脚(co)-时钟脉冲检测输出。 16脚(udd) -电源端(+4+18v)。 图11.31为pmm8713的14对应于三相电机三种相序状态。第四章 在数控机床的应用第一节步进电机的工作特点1)可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。2)位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更催精度的组成闭环控制系统。3)无刷，电动机本体部件少，可靠性催。4)易于起动，停止，正反转及速度响应性好。5)停止时可有自锁能力。6)步距角可在大范围内选择，在小步距情况下，通常可以在超低转速下催转距稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。7)速度可在相当宽范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。8)步进电动机带惯性负载能力较差。9)由于存在失步和共振，步进电机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。10)需要专用的伺服控制器控制，不能直接使用普通交直流电源驱动。第二节步进电机在数控机床中的应用图4是单片机与ta8435相连控制步进电机的原理图，引脚m1和m2决定电机的转动方式：m10、m20，电机按整步方式运转；m11、m20，电机按半步方式运转；m10、m21，电机按1/4细分方式运转；m11、m21，电机按1/8步细分方式运转，cw/cww控制电机转动方向，ck1、ck2时钟输入的最大频率不能超过5khz，控制时钟的频率，即可控制电机转动速率。refin为高电平时，nfa和nfb的输出电压为0.8v，refin为低电平时，nfa和nfb输出电压为0.5v，这2个引脚控制步进电机输入电流，电流大小与nf端外接电阻关系式为：iovref/rnf。图4中，设refin1，选用步进电机额定电流为0.4a，r1，r2选用1.6欧姆、2w的大功率电阻，o、c两线不接。步进电机按二相双极性使用，四相按二相使用时可以提高步进电机的输出转矩，d1d4快恢复二极管用来泄放绕组电流。 以下是利用ta8435控制步进电机的程序，实现采用1/8细分方式控制步进电机的顺时钟方向转动的功能，利用定时器1向ta8435输出脉冲，用来控制步进电机转速。 数控机床一般由：控制介质、数控装置、伺服系统、和机床本体组成。简单的可以将数控机床的工作划分成以下几个部分。第一步：将编好的程序通过控制介质输入到数控系统。这一步其实就是将编好的程序转化为机器所能识别的数字信息。第二步：是通过数控装置将那些转化好的数字信息再转化为脉冲信号(也就是电信号)传递给伺服系统。第三步：伺服系统将来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的精确运动。第四步：机床本体将运动信号通过机床本身的各传动部件来完成最终的机床运动。从数控机床的工作过程可以看出影响数控机床的精度除了来自机床本身的机械部件和传动部件外，伺服系统的工作情况直接影响数控机床的精度。下面让我们再来认识下伺服系统。所谓伺服系统是指以位置和速度作为控制对象的自动控制系统，又称拖动系统或随动系统。在数控机床上伺服系统接受来自插补装置或插补软件产生的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动，主要通过对步进电动机、交/直流伺服电动机等进给驱动元件的控制来实现。可见在使用深圳市施迈特电气有限公司催端两相、三相步进电机驱动器研发、生产、销售plc dcs pac 工控机 cpci/pxi 嵌入式系统 rtu 集成控制 工业安全scada 自动化软件 信息化 人机界面 工业以太网 现场总线 无线通讯低压变频器 催压变频器 运动控制 机械传动 电机 机器人 机器视觉 传感器现场仪表 显示控制仪表 分析测试仪表 执行机构 低压电器 电气连接 盘柜 电源纺织机械 包装机械 塑料机械烟草机械 起重机械 工程机械冶金 汽车 电子 建材 造纸 矿业化为机床工作台相对于切削刀具的运动，主要通过对步进电动机、交/直流伺服