【CN209692537U】一种步进电机位置检测装置【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)实用新型专利
(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920401502.3
(22)申请日 2019.03.27
(73)专利权人 深圳锐特机电技术有限公司
地址 518000 广东省深圳市宝安区航城街
道三围社区航城大道庄边工业园厂房
B301
(72)发明人 赖九才 熊光接
(74)专利代理机构 深圳市中科创为专利代理有
限公司 44384
代理人 彭西洋 谢亮
(51)Int.Cl.
H02K 11/215(2016.01)
H02K 37/00(2006.01)
(54)实用新型名称
一种步进电机位置检测装置
(57)摘要
本实用新型公开一种步进电机位置检测装
置，包括磁性编码器和信号处理电路，所述信号
处理电路包括检测器件、单片机、RS485接口电
路、差分信号输出接口电路，并与磁性编码器连
接，所述单片机通过SPI总线与磁性编码器通信
连接，并与RS485接口电路电连接，所述差分信号
输出接口电路与磁性编码器电连接。本实用新型
利用磁性编码器能得到电机绝对位置的特性，结
合增量式正交信号传输速度快的特性，能够解决
步进电机上电时位置不确定而导致的抖动，同时
具有高速的正交编码信号输出，满足步进电机闭
环工作的高速要求，并通过校准算法，提高了初
始位置的检测精度。权利要求书1页 说明书3页 附图3页CN 209692537 U 2019.11.26
C N 209692537
U
权 利 要 求 书1/1页CN 209692537 U
1.一种步进电机位置检测装置，其特征在于，包括磁性编码器和与磁性编码器连接的信号处理电路，所述信号处理电路包括检测器件、单片机、RS485接口电路、差分信号输出接口电路，所述单片机与RS485接口电路电连接，并通过SPI总线与磁性编码器通信连接，所述差分信号输出接口电路与磁性编码器电连接。
2.根据权利要求1所述的步进电机位置检测装置，其特征在于，该装置还包括一个磁铁，所述磁铁安装在步进电机底部输出轴端部。
3.根据权利要求2所述的步进电机位置检测装置，其特征在于，所述磁性编码器设于磁铁中心，所述信号处理电路设于电机一侧。
4.根据权利要求2所述的步进电机位置检测装置，其特征在于，所述单片机型号为STM8S003F3P6。
5.根据权利要求2所述的步进电机位置检测装置，其特征在于，所述差分信号输出接口电路包括26LS31芯片。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的步进电机位置检测装置，其特征在于，所述步进电机采用闭环步进电机。
2
第六章习题(位置检测装置)
第6章数控机床的检测装置 一、填空题 1、位置检测装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。 2、数控系统中的检测装置分为位移，速度和电流三种类型。 二、选择题 1、鉴向倍频电路是光栅测量系统的组成之一，下列不属于鉴向倍频电路的作用是（D） （A）辨向（B）细分（C）提高光栅的分辨力（D）放大 2、下列不属于编码器在数控机床中的应用的是（C） （A）位移测量（B）主轴控制（C）转速控制 （D）“零点脉冲”信号用于回参考点控制 3、下列那一项是衡量感应同步器精度的主要参数（A） （A）节距（B）定尺长（C）滑迟长（D）相移 答案为： 三、是非判断题 1、对机床的直线位移采用回转型检测装置测量称为直接测量。 答：错误。应该是称为间接测量。 2、当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/2节距。 答：错误。应该是相差1/4节距。 3、脉冲编码器、旋转变压器、圆磁栅、数字脉冲编码器、直线感应同步器均是位移传感器。 答：错误。数字脉冲编码器是速度传感器。 四、简答题 1、莫尔条纹具有哪些特性？ 答：1）光学放大作用； 2）均化误差作用； 3）莫尔条纹移动与栅距移动成比例。
2、简述数控机床对位置检测装置有哪些要求。举例说明检测装置的类型。 答：数控机床对位置检测装置的要求： 1）受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强。 2）在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度的要求。 3）使用维护方便，适应机床工作环境。 4）成本低。 检测装置分类：位移传感器，如旋转变压器、光栅尺等;速度传感器，如测速发电机、数字脉冲编码器等;电流传感器，如霍尔电流传感器。 五、问答及设计题 一、某数控车采用步进电机作进给驱动,步进电机的步距角为1.8度,丝杠螺距为4mm,编码器与主轴连接方式如下, Z1,Z2,Z3,Z4分别为80,40,40,20,编码器每转1500个脉冲,问加工螺距P=6mm螺纹时,工作台走一个脉冲当量时对应的编码器脉冲是多少? 解：Z4 =20; Z3=40;步进电机转一圈需要360 /1.8=200 个脉冲，工作台平移4mm 需要步进电机转2圈及400个脉冲。加工一个P=6mm的螺纹，步进电机需要转400X6/4=600个脉冲； Z2=40 ，Z1=80 ;主轴转一圈，编码器转两圈，发3000个脉冲；加工一个螺纹时主轴转一圈螺距为P 6mm所以步进电机需要600个脉冲，对应此时编码器发3000个脉冲。 二、某带光电编码器的伺服电动机与滚珠丝杠直连（传动比为1：1），光电编码器为1200脉冲/转，丝杠螺距为6mm，则数控系统位置控制中断时间内计数600脉冲，这段时间内，工作台移动多少mm？
一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法
说明书摘要 本发明公开一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，步骤是：首先利用脉振高频电压注入法得到初次估计的转子位置，然后在初次估计的交轴上注入一个正方向扰动信号，再估计转子位置，根据估计得到的转速方向判断磁极极性，得到电机转子初始位置。此种方法可解决脉振高频电压信号注入法检测转子初始位置时磁极极性的收敛问题，无需在直轴上注入正负方向的脉冲电流，可以有效地实现转子初始位置估算。
摘要附图
1、一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特征在于包括如下步骤： （1）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，给定?q 轴电压?0q u =； （2）检测电机的两相电流，并经过Clarke 和Park 坐标系变换，得到??d q -估计同步旋转坐标系的?q 轴电流?q i ，并依照以下步骤估计转子的位置和转速：首先，将检测得到的?q 轴电流?q i 乘以调制信号cos()t h u t ω=；然后，对相乘后所得的信号低通滤波，得到?q 轴电流?q i 的幅值信号()f θ?；最后，对该幅值信号()f θ?进行PI 调节，得到估计转速?ω ，对估计转速?ω积分得到估计的转子位置； （3）重复步骤（2），直至估计的转子位置收敛为一恒定值，即为初次估计 的转子位置?first θ； （4）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，在?q 轴注入一个正方向扰动信号，重复步骤（2），直至电机转过一定角度γ，0γ>； （5）根据步骤（3）估计得到的转速方向判断磁极极性，当转速为正时，收 敛的磁极极性为N 极，转子初始位置??=initial first θθ；当转速为负时，收敛的磁极极性为S 极，转子初始位置??=initial first θθπ+。 2、如权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特 征在于：所述步骤（1）中，采用转子的估计位置?θ进行Park 逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值?u α和?u β。
PLC控制步进电机的实例(图与程序)
PLC控制步进电机的实例(图与程序) ·采用绝对位置控制指令(DRVA)，大致阐述FX1S控制步进电机的方法。由于水平有限，本实例采用非专业述语论述，请勿引用。 ·FX系列PLC单元能同时输出两组100KHZ脉冲，是低成本控制伺服与步进电机的较好选择！ ·PLS+，PLS-为步进驱动器的脉冲信号端子，DIR+，DIR-为步进驱动器的方向信号端子。 ·所谓绝对位置控制(DRVA),就是指定要走到距离原点的位置，原点位置数据存放于32位寄存器D8140里。当机械位于我们设定的原点位置时用程序把D8140的值清零，也就确定了原点的位置。 ·实例动作方式：X0闭合动作到A点停止，X1闭合动作到B点停止，接线图与动作位置示例如左图(距离用脉冲数表示)。 ·程序如下图：(此程序只为说明用，实用需改善。) ·说明： ·在原点时将D8140的值清零(本程序中没有做此功能) ·32位寄存器D8140是存放Y0的输出脉冲数，正转时增加，反转时减少。当正转动作到A点时，D8140的值是3000。此时闭合X1，机械反转动作到B点，也就是-3000的位置。D8140的值就是-3000。 ·当机械从A点向B点动作过程中，X1断开(如在C点断开)则D8140的值就是200，此时再闭合X0，机械正转动作到A点停止。 ·当机械停在A点时，再闭合X0，因为机械已经在距离原点3000的位置上，故而机械没有动作！
·把程序中的绝对位置指令(DRVA)换成相对位置指令(DRVI)： ·当机械在B点时(假设此时D8140的值是-3000)闭合X0，则机械正转3000个脉冲停止，也就是停在了原点。D8140的值为0 ·当机械在B点时(假设此时D8140的值是-3000)闭合X1，则机械反转3000个脉冲停止，也就是停在了左边距离B点3000的位置(图中未画出)，D8140的值为-6000。 ·一般两相步进电机驱动器端子示意图： ·FREE+，FREE-：脱机信号，步进电机的没有脉冲信号输入时具有自锁功能，也就是锁住转子不动。而当有脱机信号时解除自锁功能，转子处于自由状态并且不响应步进脉冲。 ·V+，GND：为驱动器直流电源端子，也有交流供电类型。 ·A+，A-，B+，B-分别接步进电机的两相线圈。
步进电机闭环控制系统
步进电机闭环控制系统
几种典型的步进电机闭环控制系统 哈尔滨工业大学 【摘要】系统阐述了步进电动机闭环控制系统的优点，给出了几种典型的闭环控制系统，并提出了步进电动机高精度定位系统的设计思想。【叙词】步进电机闭环系统／高精度定位 l概述 步进电机是机电一体化产品中的关键元件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。它能够将电的脉冲信号转换成相应的角位移，是一种离散型自动化执行元件。随着计算机控制系统的发展，步进电动机广泛应用于同步系统、直线及角位系统、点位系统、连续轨迹控制系统以及其它自动化系统中，是高科技发展的一个重要环节。 2步进电动机闭环系统与开环系统比较[1- 步进电机的主要优点之一是适于开环控制。在开环控制下，步进电动机受具有予定时间间隔的脉冲序列所控制，控制系统中无需反馈传感器和相应的电子线路。这种线路具有简单、费用低的特点，使步进电动机的开环控制系统得以广泛的应用。
c．闭环控制下，效率一转矩曲线提高。 d．采用闭环控制，可得到比开环控制更高的运行速度，更稳定、更光滑的转速。 e.利用闭环控制，步进电动机可自动地、有效地被加速和减速。 f．闭环控制相对开环控制在快速性方面提高的定量评价，可借助比较Ⅳ步内通过某个路径间隔的时间得出： 式中n-步进电动机转换拍数(N>n) g．应用闭环驱动，效率可增到7.8倍，输出功率可增到3.3倍，速度可增到3.6倍。 闭环驱动的步进电机的性能在所有方面均优于开环驱动的步进电动机。步进电机闭环驱动具有步进电动机开环驱动和直流无刷伺服电机的优点。因此，在可靠性要求很高的位置控制系统中，闭环控制的步进电动机将获得广泛应用。3编码器形式的步进电动机阕环控制系统步进电机的闭环控制最早是采用编码器的形式，图1是其原理示意图。初始状态，系统受一相或几相激磁而静止。开始工作后，先把目标位置送入减法计数器；然后，“起动”脉冲信号加到
位置检测装置
第4章 数控检测装置 4.1数控检测装置的概述 检测元件是闭环、半闭环伺服系统的重要组成部分。在闭环数控系统中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值(指令信号)进行比较，从而控制驱动元件准确运转，使工作台(或刀具)按规定的轨迹和坐标移动。因此，位置检测装置是数控机床的关键部件之一，它的精度直接影响数控机床的定位精度和加工精度。为此，对位置检测装置提出如下要求： (1)高可靠性和高抗干扰性； (2)满足精度和速度要求； (3)使用、维护方便，适合机床的运行环境； (4)成本低，寿命长。 对于不同类型的数控机床，因工作条件和检测要求不同，可以采用不同的检测方式。 ∑==n i i Z Z 1总 4.1.1对位置检测装置的要求 在数控机床中，数控装置是依靠指令值与位置检测装置的反馈值进行比较，以此来控制工作台运动的。位置检测装置是CNC 系统的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并将检测的反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直到偏差为零为止。为了提高数控机床的加工精度，必须提高测量元件和测量系统的精度，不同的数控机床对测量元件和测量系统的精度要求、允许的最高移动速度各不相同。现在检测元件与系统的最高水平是：被检测部件的最高移动速度至240m/min 时，其检测位移的分辨率(能检测的最小位移量)可达1μm ，相当于24m/min 时可达0.1μm 。最高分辨率可达0.01μm 。因此，研制和选用性能优越的检测装置是很重要的。 。 ‘ 数控机床对位置检测装置的要求如下： (1)受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强； (2)在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度的要求； (3)使用维护方便，适应机床工作环境； (4)成本低； (5)易于实现高速的动态测量。 4.1.2检测装置的分类 按工作条件和测量要求的不同，测量方式亦有不同的划分方法，位置检测装置分类如表4—1所示。 表4—l 位置检测装置分类
伺服转子初始位置的检测
采用增量式光电编码器作为位置检测元件的PMSM伺服电机，必须要在系统刚上电时就测得电机精确的初始位置。因为在永磁伺服驱动系统中，电机转子的位置检测与初始定位是系统构成与运行的基本条件，也是矢量控制解耦的必要条件。只有永磁同步电机的转子位置能够准确知道，才可以按照矢量控制的一系列方程，将永磁同步电机等效变换成dq坐标系上的等效模型，系统才能按照类似他励直流电机的控制方法对永磁同步电机进行控制，从而可以达到他励直流电机构成的伺服传动系统的性能指标要求。使用增量式光电编码器测量电机位置的伺服系统中, 系统上电后需要先检测出电机的初始位置。电机的初始位置不仅影响伺服系统的定位精度, 而且会对电机的快速启动性能造成一定的影响。 在系统刚刚上电，电机尚未运行时，系统开始测量转子的初始位置，此过程只需要电流环工作，根据伺服系统运行要求，在寻找初始位置的过程中，只允许有很微小的抖动，并且要求很快回归原位。 假设，采用H45-8-2500-WL型光电编码器，电机转动过程中，编码器输出的信号：A（/A）、B（/B）、Z（/Z）、U（/U）、V（/V）和W（/W），如图1（b）所示。其中A（/A）、B（/B）两组信号为相差相位角的同频率信号，分辨率为2500PPR，通过判断两组脉冲的相位可以判断出电机的旋转方向，这两组信号经4倍频之后，电机空间位置的分辨率变为10000PPR。脉冲Z （/Z）是同步信号，电机每旋转一周产生一个信号，其产生的位置固定，即电机转子转到该位置时发出信号（零位信号）。 如图1所示为伺服电机混合式光电编码器的码盘结构及输出信号波形。码盘的中间码道为刻有高密度的增量式透光缝隙（2000，2500，3000PPR等），两边分布两组互成的三个缝隙，受光元件（Photo-Diode Array）接收到发光元件（LED）通过缝隙的光线而产生互差的三相信号，经过放大整形后输出矩形波信号U（/U）、V（/V）和W（/W）。利用这些信号的组合状态来分别代表磁极在空间的不同位置。U（/U）、V（/V）和W（/W）三相脉冲信号每转的脉冲个数与电机的极对数相一致。根据U（/U）、V（/V）和W （/W）三相脉冲的高低电平关系可以判断电机磁极的当前位置。其过程是：电机启动前，通过U（/U）、V（/V）和W（/W）三相脉冲的状态估算出电机磁极位置，即当前的角度，一旦电机旋转起来，光电编码器的增量式部分可以精确地检测出位置值。这里，伺服电机极对数为4对极，则每相输出信号U（/U）、V（/V）和W（/W）的周期为空间，在每个周期中可以组合成6种状态，每种状态代表空间角度范围为。
浅谈步进电机定位不准问题
浅谈步进电机定位不准问题 关键字：步进电机 导读：由于开环控制系统具有操作方便，价格低廉的优点，所以我国所采用基本是以开环控制反应式步进电机为主。虽然步进电机应用广泛，但其并不能如同普通的交直流电机在常规条件下使用，且从起点到终点的运行速度必须符合一定的要求，因此也经常会出现一些定位不准的故降。 由于开环控制系统具有操作方便，价格低廉的优点，所以我国所采用基本是以开环控制反应式步进电机为主。虽然步进电机应用广泛，但其并不能如同普通的交直流电机在常规条件下使用，且从起点到终点的运行速度必须符合一定的要求，因此也经常会出现一些定位不准的故降。 理论状况下：在电机的极限起动频率大于运行的速度时，电机可按要求运行，并可达到预期的运行速度。运行至行程结束时，也能立即发出可以实现停止功能的脉冲，并使电机停止运行。但实际情况是，步进电机能实现的极限起动预率较低，远不能满足较高的运行速度的要求。 在这种工作状况下，强行使电机以要求的速度(大于极限起动预率)直接起动，则会发生“丢步’或无响应。而当电机运行至终点时，虽然已经立即停止发脉冲.令其停止，但由于惯性作用，会发生冲过终点的现象，即产生过冲。 特别需要注意的是：为了既要保证系统的定位精度(电机的升降速缓慢.防止产生“失步”或“过冲”)又要获得高的定位速度，主流系统都将定位过程划分为粗定位阶段和精定位阶段进行。生产实践的经验告诉我们，“丢步”和“过冲”是步进电机在运行中最常出现的两种严重影响步进电机定位精度的“罪魁”。 出现定位不准的主要原因包括: 1、要求起动初速度过高，超过电机极限起动频率，或者加速度太大，造成“丢步; 2、电机马达的功率达不到系统的要求; 3、动器工作过程遭受千扰; 4、控制系统的控制器产生误动作; 5、换向时丢脉冲，单向运行定位准确，换向后定位出现偏差，并虽换向次数的增加其偏差积就越明显; 6、软件存在设计缺陷; 7、使用同步带的场合，软件补偿太多或太少。
基于高频电压注入法的永磁同步电机转子初始位置检测1
基于高频电压注入法的永磁同步电机转子初始位置检测 Initial Rotor Position Inspection of PMSM Based on Rotating High Frequency Voltage Signal Injection 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院蔡名飞周元钧 摘要:为了解决新型无位置传感器永磁同步电机的起动问题，提出了一种在电机静止状态下检测转子位置的新方法。 该方法在算法上改进了传统的旋转高频电压注入法，使得可以更为快速、准确的检测出转子初始(均扫位置。并且针对传统旋转高频电压注人法无法检测出转子永磁体极性问题，在dq旋转坐标系下，通过分析永磁同步卜匕机d轴磁链和定子电流之间的关系，利用d轴电流的泰勒级数展开，提出J’根据定子铁芯非线性磁化特性获得判另}J N/S极极性信息的新方一案。最后，建立了系统仿真模型。仿真结果验证了这种方法的有效性和可行性。此方法同样适用于永磁同步电机在中、低速时的转子位置检测。 关键词:永磁同步电机转子初始位置旋转高频注人非线性磁化特性N/S极极性 1引言 永磁同步电机高精态、高动态性能的速度、位置控制，都需要准确的转子位置信息。如果位置检测误差较大，会导致电机不能正常起动、运行。传统方法是通过机械式传感器来测量转子的速度和位置。但机械式传感器减低了系统的可靠性，增加了系统的成本;同时传感器对环境有着严格的要求，电磁干扰、温度、湿度、振动对它的测量精度都有影响。特别针对某些航空伺服电机，长期工作在恶劣、复杂的环境中，所以研究无位置传感器不仅可 以减少航空电机成本，而且可以减少不必要的引线，将大大提高整个系统的可靠性〔‘]。 最简单的无位置传感器控制方法是文献「2]提出的基于对检测到的电机反电动势进行积分，这种方法虽然简单，但是在零速或低速阶段因为反电动太小，难以检测而失败。后来人们又提出了高频注人法，其主要思想是用电机固有的空间凸极或凸极效应可以实现对转子位置的检测，这种方法与转速没有直接关系，有效克服了反电动势法的 缺陷。文献〔3]提出通过处理电流高频响应，采取求导取极值计算电机的初始位置，但这种方法存在震荡现象，高频电流也会因滤波器移相导致检测误差，并且也没有给出电 机N/S极极性检测方法。文献【4]提出在电机中注人幅值相同、方向不同的系列脉冲，检测并比较相应电流的大小来估计转子的位置。这种方法可行但是对注入脉冲的电压幅 值和时间控制要求比较高，操作复杂，检测时间过长。文献[[5][6]通过注人高频信号引起PMSM的d,q轴磁链饱和程度差异实现初始位置检测，这种方法高频电流信号提取复 杂，容易带来计算误差，难以做到转子位置的实时检测跟踪。文献〔7l所使用的电机经过特殊设计，不具普遍性，仅适用于理论研究。 为了解决以上方法的存在的问题，本文提出了一种基于旋转高频电压注人法的永磁同步电机转子初始位置检测的新方法。在电机静止状态下，通过向电机定子三相绕组中注入高频电压信号，利用电机凸极效应，通过处理高频电流响应，得出转子的位置信号。为此，本文进行了仿真研究，实现了转子d轴位置和N/S极极性的快速、准确检测。 2高频激励下的永磁同步电机的数学模型
步进电机定位控制系统设计
学生学号 课程设计 题目步进电机定位控制系统设计 学院信息工程学院 专业 班级 姓名 指导老师
2013~2014学年6月20日
课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目:步进电机定位控制系统设计 初始条件： 1. 具备电子电路的基础知识及查阅资料和手册的能力； 2. 熟悉ISE 仿真软件的操作与运用； 3. 掌握步进电机的工作原理。 要求完成的主要任务: 1. 设计一个基于FPGA 的4 相步进电机定位控制系统，包括步进电机方向设定 电路模块、步进电机步进移动与定位控制模块和编码输出模块。 2.撰写符合学校要求的课程设计说明书。 时间安排： 1、2014 年06月11日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。 2、2014 年06月12日至2014年06月17日，设计说明书撰写。 3、2014年06月18日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。 指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 摘要........................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................. II 1 设计目标及简介 (1) 1.1设计目标 (1) 1.2 步进电机简介 (1) 2 VHDL语言介绍 (2) 3 Quartus Ⅱ介绍 (3) 4 系统组成 (4) 4.1 四相步进电机工作原理 (4) 4.2 系统组成 (6) 5 模块设计 (7) 5.1 FPGA模块图及信号说明 (7) 5.2 系统模块构成 (7) 5.3 各模块间整体共享的电路内部传递信号 (7) 5.4 电机方向设定电路模块 (8) 5.5 步进电机步进移动与定位控制模块 (9) 5.6 编码输出模块 (9) 6 程序设计与仿真 (10) 7 仿真结果 (16) 8 实验总结 (18) 参考文献 (19)
(完整word版)步进电机控制工作原理
步进电机控制工作原理 步进电机的名称 步进电机(stepping motor),步进电机(step motor)，或者是脉冲电机(pulse motor)，其它的如(stepper motor)等……有着各式各样的称呼方式，这些用日本话来表示的时候，就成为阶动电动机，还有，阶动就是一步一步阶段动作的意思，这各用另外一种语言来表示时，就是成为步进驱动的意思，总之，就是输入一个脉冲就会有一定的转角，分配转轴变位的电动机。 步进电机简介： 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制组件。 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 单相步进电机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电机各项绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 步进电机按旋转结构分两大类：1是圆型旋转电机如下图A 2直线型电机，结构就象一个圆型旋转电机被展开一样，如下图B 一，步进电机的种类 现在，在市场上所出现的步进电机有很多种类，依照性能及使用目的等有各自不同的区分使用。
西门子S7-200在步进电机定位控制中的应用
西门子S7-200在步进电机定位控制中的应用 1 引言 PLC输出的集成脉冲可通过步进电机进行定位控制。关于定位控制，调节和控制操作之间存在一些区别。步进电机不需要连续的位置控制，而在控制操作中得到应用。在以下的程序例子中，借助于CPU214所产生的集成脉冲输出，通过步进电机来实现相对的位置控制。虽然这种类型的定位控制不需要参考点，本例还是粗略地描述了确定参考点的简单步骤。因为实际上它总是相对一根轴确定一个固定的参考点，因此，用户借助于一个输入字节的对偶码(Dual coding)给CPU 指定定位角度。用户程序根据该码计算出所需的定位步数，再由CPU输出相关个数的控制脉冲。 2 系统结构 如图1所示。 图1 系统结构 3 硬件配置 如表1所示。
4 软件结构 4.1 PLC的输入信号与输出信号 PLC的部分输入信号与输出信号，以及标志位如表2所示。 4.2 系统软件设计 PLC的程序框图如图2所示。 4.3 初始化 在程序的第一个扫描周期(SM0.1=1)，初始化重要参数。选择旋转方向和解除联锁。 4.4 设置和取消参考点 如果还没有确定参考点，那么参考点曲线应从按“START”按扭(I1.0)开始。CPU有可能输出最大数量的控制脉冲。在所需的参考点，按“设置/取消参考点”开关(I1.4)后，首先调用停
止电机的子程序。然后，将参考点标志位M0.3置成1，再把新的操作模式“定位控制激活”显示在输出端Q1.0。 如果I1.4的开关已激活，而且“定位控制”也被激活(M0.3=1)，则切换到“参考点曲线”参考点曲线。在子程序1中，将M0.3置成0，并取消“定位控制激活”的显示(Q1.0=0)。此外，控制还为输出最大数量的控制脉冲做准备。当再次激活I1.4开关，便在两个模式之间切换。如果此信号产生，同时电机在运转，那么电机就自动停止。 实际上，一个与驱动器连接的参考点开关将代替手动操作切换开关的使用，所以，参考点标志能解决模式切换。 4.5 定位控制 如果确定了一个参考点(M0.3=1)而且没有联锁，那么就执行相对的定位控制。在子程序2中，控制器从输入字节IBO读出对偶码方式的定位角度后，再存入字节MB11。与此角度有关的脉冲数，根据下面的公式计算: N=φ/360°×S 式中:N-控制脉冲数 φ-旋转角度 S-每转所需的步数 该程序所使用的步进电机采用半步操作方式(S=1000)。在子程序3中循环计算步数，如果现在按“START”按钮(I1.0)，CPU将从输出端Q0.0输出所计算的控制脉冲个数，而且电机将根据相应的步数来转动，并在内部将“电机转动”的标志位M0.1置成1。 在完整的脉冲输出之后，执行中断程序0，此程序将M0.1置成0，以便能够再次起动电机。 4.6 停止电机 按“STOP”(停止)按扭(I1.1)，可在任何时候停止电机。执行子程序0中与此有关的指令。 5 程序和注释 //标题:用脉冲输出进行定位控制 //主程序 LD SM0.1 //仅首次扫描周期SM0.1才为1。 R M0.0，128 //MD0至MD12复位 ATCH 0，19 //把中断程序0分配给中断事件19(脉冲串终止) ENI
第六章 数控机床的检测装置
第六章数控机床的检测装置 一、填空题 1、位置检测装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。 2、数控系统中的检测装置分为位移，速度和电流三种类型。 二、选择题 1、鉴向倍频电路是光栅测量系统的组成之一，下列不属于鉴向倍频电路的作用是（D）（A）辨向（B）细分（C）提高光栅的分辨力（D）放大 2、下列不属于编码器在数控机床中的应用的是（C） （A）位移测量（B）主轴控制（C）转速控制 （D）“零点脉冲”信号用于回参考点控制 3、下列那一项是衡量感应同步器精度的主要参数（A） （A）节距（B）定尺长（C）滑迟长（D）相移 三、是非判断题 1、对机床的直线位移采用回转型检测装置测量称为直接测量。 答：错误。应该是称为间接测量。 2、当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/2节距。 答：错误。应该是相差1/4节距。 3、脉冲编码器、旋转变压器、圆磁栅、数字脉冲编码器、直线感应同步器均是位移传感器。 答：错误。数字脉冲编码器是速度传感器。 四、简答题 1、莫尔条纹具有哪些特性？ 答：1）光学放大作用； 2）均化误差作用； 3）莫尔条纹移动与栅距移动成比例。 2、简述数控机床对位置检测装置有哪些要求。举例说明检测装置的类型。 答：数控机床对位置检测装置的要求： 1）受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强。
2）在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度的要求。 3）使用维护方便，适应机床工作环境。 4）成本低。 检测装置分类：位移传感器，如旋转变压器、光栅尺等;速度传感器，如测速发电机、数字脉冲编码器等;电流传感器，如霍尔电流传感器。 五、问答及设计题 1.某数控车采用步进电机作进给驱动,步进电机的步距角为1.8度,丝杠螺距为4mm,编码器与主轴连接方式如下, Z1,Z2,Z3,Z4分别为80,40,40,20,编码器每转1500个脉冲,问加工螺距P=6mm螺纹时,工作台走一个脉冲当量时对应的编码器脉冲是多少? 解：Z4 =20; Z3=40;步进电机转一圈需要360 /1.8=200 个脉冲，工作台平移4mm 需要步进电机转2圈及400个脉冲。加工一个P=6mm的螺纹，步进电机需要转400X6/4=600个脉冲； Z2=40 ，Z1=80 ;主轴转一圈，编码器转两圈，发3000个脉冲；加工一个螺纹时主轴转一圈螺距为P 6mm所以步进电机需要600个脉冲，对应此时编码器发3000个脉冲。 2.某带光电编码器的伺服电动机与滚珠丝杠直连（传动比为1：1），光电编码器为1200脉冲/转，丝杠螺距为6mm，则数控系统位置控制中断时间内计数600脉冲，这段时间内，工作台移动多少mm？ 解：因为伺服电动机与滚珠丝杠直连，传动比为1：1，且丝杠螺距为6mm。所以伺服电动机转一圈，滚珠丝杠也转一圈，工作台移动距离为螺距，即6mm。因为光电编码器为1200脉冲/转（即电机转一圈的脉冲也是1200），而计数600脉冲。所以电机转了600/1200＝0.5圈，即转了半圈。因为滚珠丝杠转一圈，工作台移动距离6mm。所以滚珠丝杠转半圈，工作台移动距离3mm。
PLC对步进电机的快速精确定位控制
PLC对步进电机的快速精确定位控制(附PLC原程序） 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），其旋转以固定的角度运行。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量以达到准确定位的目的;同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度而达到调速的目的。步进电机作为一种控制用的特种电机，因其没有积累误差（精度为100%）而广泛应用于各种开环控制。 1 定位原理及方案 1.1 步进电机加减速控制原理 步进电机驱动执行机构从一个位置向另一个位置移动时，要经历升速、恒速和减速过程。当步进电机的运行频率低于其本身起动频率时，可以用运行频率直接起动并以此频率运行，需要停止时，可从运行频率直接降到零速。当步进电机运行频率fb>fa（有载起动时的起动频率）时，若直接用fb频率起动会造成步进电机失步甚至堵转。同样在fb频率下突然停止时，由于惯性作用，步进电机会发生过冲，影响定位精度。如果非常缓慢的升降速，步进电机虽然不会产生失步和过冲现象，但影响了执行机构的工作效率。所以对步进电机加减速要保证在不失步和过冲前提下，用最快的速度（或最短的时间）移动到指定位置。 步进电机常用的升降频控制方法有2种：直线升降频和指数曲线升降频。指数曲线法具有较强的跟踪能力，但当速度变化较大时平衡性差。直线法平稳性好，适用于速度变化较大的快速定位方式。以恒定的加速度升降，规律简练，用软件实现比较简单，本文即采用此方法。 1.2 定位方案 要保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角所移动的距离不能太大，而且步进电机的升降速要缓慢，以防止产生失步或过冲现象。但这两个因素合在一起带来了一个突出问题：定位时间太长，影响执行机构的工作效率。因此要获得高的定位速度，同时又要保证定位精度，可以把整个定位过程划分为两个阶段：粗定位阶段和精定位阶段。粗定位阶段，采用较大的脉冲当量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。精定位阶段，为了保证定位精度，换用较小的脉冲当量，如0.01mm/步。虽然脉冲当量变小，但由于精定位行程很短（可定为全行程的五十分之一左右），并不会影响到定位速度。为了实现此目的，机械方面可通过采用不同变速机构实现。 工业机床控制在工业自动化控制中占有重要位置，定位钻孔是常用工步。设刀具或工作台欲从A点移至C点，已知AC=200mm，把AC 划分为AB与BC两段，AB=196mm，BC=4mm，AB段为粗定位行程，采用0.1mm/步的脉冲当量依据直线升降频规律快速移动，BC段为精定位行程，采用0.01mm/步的脉冲当量，以B点的低频恒速运动完成精确定位。在粗定位结束进入精定位的同时，PLC自动实现变速机构的更换。 2 定位程序设计 2.1 PLC脉冲输出指令 目前较为先进的PLC不仅具有满足顺序控制要求的基本逻辑指令，而且还提供了丰富的功能指令。Siemens S7-200系列PLC的PLUS 指令在Q0.0和Q0.1输出PTO或PWM高速脉冲，最大输出频率为20KHz。脉冲串（PTO）提供方波输出（50%占空比），用户控制周期和脉冲数。脉冲宽度可调制（PWM）能提供连续、变占空比输出，用户控制周期和脉冲宽度。本文采用PTO的多段管线工作方式实现粗定位，PTO的单段管线方式实现精定位。
位置检测装置
位置检测装置 一、测试目的 位置检测装置 位置检测装置是数控系统的重要组成部分，在闭环或半闭环控制的数控机床中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值(指令信号)进行比较，从而控制驱动元件正确运转，使工作台(或刀具)按规定的轨迹和坐标移动。一、数控机床对检测装置的基本要求： 1）稳定可靠、抗干扰能力强。数控机床的工作环境存在油污、潮湿、灰尘、冲击振动等，检测装置要能够在这样的恶劣环境下工作稳定，并且受环境温度影响小，能够抵抗较强的电磁干扰。 2）满足精度和速度的要求。为保证数控机床的精度和效率，检测装置必须具有足够的精度和检测速度，位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量级。 3）安装维护方便、成本低廉。受机床结构和应用环境的限制，要求位置检测装置体积小巧，便于安装调试。尽量选用价格低廉，性能价格比高的检测装置。 数控机床加工精度，在很大程度上取决于数控机床位置检测装置的精度，因此，位置检测装置是数控机床的关键部件之一，它对于提高数控机床的加工精度有决定性的作用。 二、组成部分 位置检测装置的主要性能指标：
1. 精度符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度，数控机床用传感器要满足高精度和高速实时测量的要求。 2. 分辨率位置检测装置能检测的最小位置变化量称作分辨率。分辨率应适应机床精度和伺服系统的要求。 分辨率的高低，对系统的性能和运行平稳性具有很大的影响。检测装置的分辨率一般按机床加工精度的1 ／3～1／10选取，也就是说，位置检测装置的分辨率要高于机床加工精度。 3. 灵敏度输出信号的变化量相对于输入信号变化量的比值为灵敏度。实时测量装置不但要灵敏度高，而 且输出、输入关系中各点的灵敏度应该是一致的。 4. 迟滞对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的输出量的不一致，称为迟滞。数控伺服系统 的传感器要求迟滞小。 5. 测量范围和量程传感器的测量范围要满足系统的要求，并留有余地。 6. 零漂与温漂零漂与温漂是在输入量没有变化时，随时间和温度的变化，位置检测装置的输出量发生了 变化。传感器的漂移量是其重要性能标志，零漂和温漂反映了随时间和温度的改变，传感器测量精度的微小变化。
采用绝对位置控制指令控制步进电机
·采用绝对位置控制指令(DRVA)，大致阐述FX1S控制步进电机的方法。由于水平有限，本实例采用非专业述语论述，请勿引用。 ·FX系列PLC单元能同时输出两组100KHZ脉冲，是低成本控制伺服与步进电机的较好选择！ ·PLS+，PLS-为步进驱动器的脉冲信号端子，DIR+，DIR-为步进驱动器的方向信号端子。·所谓绝对位置控制(DRVA),就是指定要走到距离原点的位置，原点位置数据存放于32位寄存器D8140里。当机械位于我们设定的原点位置时用程序把D8140的值清零，也就确定了原点的位置。 ·实例动作方式：X0闭合动作到A点停止，X1闭合动作到B点停止，接线图与动作位置示例如左图(距离用脉冲数表示)。 ·程序如下图：(此程序只为说明用，实用需改善。) ·说明： ·在原点时将D8140的值清零(本程序中没有做此功能) ·32位寄存器D8140是存放Y0的输出脉冲数，正转时增加，反转时减少。当正转动作到A点时，D8140的值是3000。此时闭合X1，机械反转动作到B点，也就是-3000的位置。D8140的值就是-3000。 ·当机械从A点向B点动作过程中，X1断开(如在C点断开)则D8140的值就是200，此时再闭合X0，机械正转动作到A点停止。 ·当机械停在A点时，再闭合X0，因为机械已经在距离原点3000的位置上，故而机械没有动作！ ·把程序中的绝对位置指令(DRVA)换成相对位置指令(DRVI)： ·当机械在B点时(假设此时D8140的值是-3000)闭合X0，则机械正转3000个脉冲停止，也就是停在了原点。D8140的值为0 ·当机械在B点时(假设此时D8140的值是-3000)闭合X1，则机械反转3000个脉冲停止，也就是停在了左边距离B点3000的位置(图中未画出)，D8140的值为-6000。 ·一般两相步进电机驱动器端子示意图： ·FREE+，FREE-：脱机信号，步进电机的没有脉冲信号输入时具有自锁功能，也就是锁住转子不动。而当有脱机信号时解除自锁功能，转子处于自由状态并且不响应步进脉冲。·V+，GND：为驱动器直流电源端子，也有交流供电类型。 ·A+，A-，B+，B-分别接步进电机的两相线圈。
步进电机工作和控制原理
步进电机工作和控制原理 一、综述 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的一种开环线性执行元件，具有无累积误差、成本低、控制简单特点。产品从相数上分有二、三、四、五相，从步距角上分有0.9°/1.8°、0.36°/0.72°，从规格上分有口42~φ130，从静力矩上分有0.1N·M~40N·M。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。 二、感应子式步进电机工作原理 （一）反应式步进电机原理 由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。 1、结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B 与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图： 2、旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。
如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A 偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移 1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力 F与（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径
数控机床常用的位置检测装置
数控机床常用的位置检测装置——旋转变压器 旋转变压器是数控机床常用的电磁检测装置，它是一种角位移检测元件。 (1)旋转变压器结构旋转变压器由定子和转子组成，根据转子电信号引入、引出方式的不同，可将其分为有刷和无刷两种。由于有刷旋转变压器的可靠性难以得到保证，所以它的应用很少。下面将着重介绍无刷旋转变压器，它没有电刷与集电环，由分解糟和变压器两大部分组成。其中，分解糟的结构与有刷旋转变压器基本相同，由定子和转子组成，定子和转子上都有绕组。变压器的一次绕组绕在与分解器转子轴固定在一起转动；它的二次绕组绕在与转子同心的定子轴线上。分解器定子绕组接外加定子绕组的励磁电压，它的转子绕组输出信号接在变压器的一次绕组，从变压器的二次绕组引出最后的输出信号。 (2)旋转变压器工作原理无刷旋转变压器工作原理，定子绕组是变压器的一次绕组，转子绕组是变压器的二次绕组。当励磁电压加到定子绕组时，由于电磁效应，转子绕组就会产生感应电压。当转子运转时，转子绕组的感应电压会按照转子转过的角位移量呈正弦（或余弦）规律变化，其频率与励磁电压的频率相同。这时，如果测量旋转变压器二次绕组感应电压的幅值或相位，就可以计算出转子转角的变化规律。在数控机床伺服系统(3)一般用旋转变压器测量进给丝杠的转角，通过转换间接地测量工作台的直线位移。 (3)旋转变压器的应用旋转变压器的应用有两种工作方式，鉴相式工作方式和鉴幅式 工作方式。 在鉴相式工作方式中，旋转变压器定子两相正向绕组分别加上幅值相等、频率相同，而相位差为90。的正弦交流电压。旋转变压器转子绕组中的感应电动势与定子绕组中的励磁电压同频率，但相位不同。测量转子绕组输出电压的相位角，即可测量得转子相对于定子的空间转角位置。 在鉴幅式工作方式中，定子两相绕组加的是频率相同、相位角相同，而幅值分别按正弦、余弦变化的交流电压。
步进电动机控制方法
技能大赛自动线的安装与调试》项目二等奖 心得二 心得二：步进电机的控制方法 我带队参加《2008年全国职业院校技能大赛自动线的安装与调试》项目，我院选手和其他院校的三位选手组成了天津代表队，我院选手所在队获得了《2008年全国职业院校技能大赛自动线的安装与调试》项目二等奖，为天津市代表队争得了荣誉，也为我院争得了荣誉。以下是我这个作为教练参加大赛的心得二：步进电机的控制方法 《2008年全国职业院校技能大赛自动线的安装与调试》项目的主要内容包括如气动控制技术、机械技术（机械传动、机械连接等）、传感器应用技术、PLC控制和组网、步进电机位置控制和变频器技术等。但其中最为重要的就是PLC方面的知识，而PLC中最重要就是组网和步进电机的位置控制。 一、 S7-200 PLC 的脉冲输出功能 1、概述 S7-200 有两个置PTO/PWM 发生器，用以建立高速脉冲串（PTO）或脉宽调节（PWM）信号波形。 当组态一个输出为PTO 操作时，生成一个50%占空比脉冲串用于步进电机或伺服电 机的速度和位置的开环控制。置PTO 功能提供了脉冲串输出，脉冲周期和数量可由用户控制。但应用程序必须通过PLC内置I/O 提供方向和限位控制。 为了简化用户应用程序中位控功能的使用，STEP7--Micro/WIN 提供的位控向导可以帮助您在几分钟内全部完成PWM，PTO 或位控模块的组态。向导可以生成位置指令，用户可以用这些指令在其应用程序中为速度和位置提供动态控制。 2、开环位控用于步进电机或伺服电机的基本信息 借助位控向导组态PTO 输出时，需要用户提供一些基本信息，逐项介绍如下： ⑴最大速度（MAX_SPEED）和启动/停止速度（SS_SPEED） 图1是这2 个概念的示意图。 MAX_SPEED 是允许的操作速度的最大值，它应在电机力矩能力的范围。驱动负载所需的力矩由摩擦力、惯性以及加速/减速时间决定。