低轉速高穩定度步進電機無級調速裝置的製作方法

2023-06-11 21:44:21

專利名稱：低轉速高穩定度步進電機無級調速裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種根據用戶輸入的轉速值，產生對應的轉速，且轉速低(小於150轉/分)，穩定度高而誤差極小的調速轉速裝置。
技術背景目前，能夠提供轉速並且便於控制的，便是各類電機了，用得較為廣泛的 有交流電機、直流電機、步進電機和伺服電機。交流電機在工業控制中是用得 最為廣泛的一種。它價格低廉，控制方便。眾所周知，交流電機的同步轉速可 由公式S二60f/P計算而得，f為交流電的頻率，P為電機的極對數，改變f或P 就可調速。為了實現無級調速，改變P是不現實的，都是改變f。目前市面上普 遍用來實現無級調速的變頻器，其控制精度都比較高， 一般可達0.01Hz。但是， 交流電機由於自身結構的原因，電機的實際轉速要比其同步轉速低，而且影響 電機轉速的因素是很多的，如負載，電壓等等，總之，交流電機的實際轉速是 很難控制精確的。在開環控制下，(電機的轉速不反饋給控制部份)，誤差能夠 控制在8%以內，就很不錯了。即使是閉環控制(電機的轉速經測速裝置反饋給 控制部份)，誤差也不小於1%，所以，凡是要求轉速很精確的場合，都不會選擇 交流電機。直流電機的調速範圍較廣，其調速方法，歸根結底，是調整電機的電磁轉 矩，當電機的電磁轉矩與負載的阻力矩相平衡時，電機就進入恆速運轉狀態， 主要用在負載穩定，轉速精度要求不是很高的場合。而伺服電機是閉環控制方 式，電機的轉子上裝有編碼器，控制部份會根據編碼器實際測得的轉速與用戶 要求的轉速進行比較，然後加以控制，動態地將電機的轉速維持在用戶要求的 轉速附近。 一般可維持在給定轉速的土l轉/分範圍內，也就是說，電機的轉速最終在給定轉速士l轉/分的範圍內會不停波動。步進電機是脈衝控制式的，它每獲得一個脈衝，電機轉子就會轉過一定的 角度(稱為步距角)，改變脈衝的頻率即可得到不同的轉速。步進電機轉速的均 勻性、穩定性是與其步距角和轉速相關的，步距角越小，轉速越均勻，轉速越 高，越穩定。但轉速太小時(一般是小於100轉/分)，電機有很大的振動甚至 不動作。當步距角很小而轉速又較高時，步進電機的轉速是非常均勻與穩定的。綜上所述，適合於高穩定度無級調速的電機只能選伺服電機或步進電機， 而伺服電機的不足之處是轉速尚有一定的波動，且成本較高，而步進電機的轉 速又不能過低。目前，很多廠家生產的步進電機都有通用的驅動器，驅動器上可以設定電機的步距角， 一般有0.9度、0.6度、0.45度、0.36度、0. 3度等幾檔。驅動 器與電機的連線都很簡單，驅動器與電機連接好之後，只要給驅動器一定頻率 的脈衝信號，電機就會輸出對應的轉速。電機的轉速可由公式S4(轉/分) 計算而得，f表示脈衝信號的頻率，e表示步進電機的步距角。為了使步進電機 的轉速均勻性更好，步距角應儘量取得小一些。我們要做的就是如何根據用戶 輸入的轉速值產生對應頻率的脈衝。目前，根據輸入產生一定頻率的脈衝大都 是利用單片機或DSP的定時器來實現，因為這兩類微處理晶片有方便的輸入輸 出接口，便於人機互動，而且利用其定時器產生一定頻率的脈衝也是特別方便 的。但是，我們可以計算一下，電機6000轉/分時所需的脈衝頻率 fl=6000*20=120kHz，其周期Tl=l/f 1=8333. 3ns，電機5999轉/分時所需的脈衝 頻率f2=5999*200=119. 98kHz，其周期T2=l/f2=8334. 7ns，可以看出，二者周 期相差只有1. 4ns，目前通用的單片機最快也只是0. 1 u s級，DSP的運算速度 也不過是ns級，是根本無法滿足要求的。如何解決這一問題是個難點。 發明內容本實用新型目的在於提供一種能夠進一步減小轉速誤差，轉速均勻穩定的低轉速高穩定度步進電機無級調速機構，以解決步進電機不能在低速階段穩定工作的情況。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是 一種低轉速高穩定度步 進電機無級調速裝置，包括，步進電機和與步進電機相連的步進電機驅動器， 其特徵在於步進電機驅動器的U、 V、 W輸出端分別相連於步進電機的U、 V、 W輸入端，步進電機驅動器的脈衝輸入端連接有通過鍵盤及LED接口電路與單片機進行交互，產生對應頻率脈衝信號的單片機控制裝置，在步進電機的主軸上 還連接有減速機構。本實用新型相比於現有技術具有如下有益效果。本實用新型利用以單片機為核心的控制裝置，配合步進電機主軸相連的減速機構，在電機整個轉速範圍內，能夠根據用戶輸入的任意數據，產生對應的轉速，解決了以前無法產生某些轉速的問題，並且，經過減速後，在低速情況下，提供的轉速非常均勻與穩定且誤差極小，解決了步進電機不能在低速階段穩定工作的情況。使在電機整個轉速範圍內實現低轉速高穩定度的無級調速。


以下結合附圖和實施例進一步說明本實用新型，但並不因此將本實用新型 限制在所述的實施例範圍之中。圖1是本實用新型的構造原理結構示意圖。圖2是本實用新型控制裝置的結構原理示意圖。 圖3是本實用新型的分頻電路原理示意圖。
具體實施方式
在圖1中，步進電機和與步進電機相連的步進電機驅動器，以及連接步進 電機驅動器和連接步進電機的減速結構組成了本實用新型的一個最佳實施例。 其中電機驅動器的U、 V、 W輸出端分別相連於步進電機的U、 V、 w輸入端，步 進電機驅動器的脈衝輸入端連接帶有鍵盤及LED接口電路與單片機進行交互的單片機控制裝置。歩進電機主軸連接減速機構主動軸。控制裝置根據用戶的輸 入值產生對應頻率的脈衝信號，通過步進電機驅動器U、 V、 W輸出端，將該脈衝信號送至與之相連接的步進電機U、 V、 w輸入端。步進電機的主軸的轉速通過連接的減速機構輸出低速的、高穩定度而誤差極小的轉速。該減速機構可以是蝸輪蝸杆減速器，也可以是齒輪減速裝置，減速比可在10:1到60:1範圍內任選一種G在圖2中，單片機控制裝置由鍵盤及LED接口電路和通過單片機連接的可 擦寫存儲器和分頻電路組成。主要包括，電連接鍵盤及LED接口電路的LED顯 示器、鍵盤和鍵盤及LED接口電路，以及通過單片機連接的可擦寫存儲器和分 頻電路，為分頻電路提供時鐘源的時鐘晶片，時鐘晶片連接於分頻電路。單片 機每四個I/O引腳分別與分頻電路中一片係數乘法器的BCD碼控制端相連。LED 顯示器用於顯示數據，鍵盤用於用戶輸入數據，鍵盤與LED顯示器通過鍵盤及 LED接口電路與單片機進行交互，可擦寫存儲器用於存儲用戶輸入的數據，即使 掉電，用戶輸入的數據也不會丟失。單片機根據用戶的輸入值，將對應的I/O 引腳設成與所需轉速相應的值，使分頻電路產生對應頻率的脈衝。在圖3中，分頻電路由四片係數乘法器按"加"模式級聯連接組成，其中， 每一片係數乘法器有一個由A， B， C， D四個引腳組成的BCD碼控制端。以圖3 中係數乘法器U1為例，若其八=0， B=0， C=l， D=l，則X二3;最後從U4的Q端 輸出脈衝，輸出的脈衝頻率可按下式計算而得 fout=fin(1000X+100Y+10Z+W)/10000; fin為時鐘源的頻率，電機的轉速S=f .P /6 (轉/分)=fin(1000X+100Y+10Z+W) 3/60000 (轉/分)，合理的選擇時鐘源 的頻率fin與步距角3 ，使得電機的轉速S= (1000X+100Y+10Z+W)轉/分，那麼， 就可得到電機的任意轉速，例如要求電機轉速為1234轉/分，那麼只需將X、 Y、 Z、 W分別設置成l、 2、 3、 4即可。
權利要求1.一種低轉速高穩定度步進電機無級調速裝置，包括，步進電機和與步進電機相連的步進電機驅動器，其特徵在於步進電機驅動器的U、V、W輸出端分別相連於步進電機的U、V、W輸入端，步進電機驅動器的脈衝輸入端連接有通過鍵盤及LED接口電路與單片機進行交互，產生對應頻率脈衝信號的單片機控制裝置，在步進電機的主軸上還連接有減速機構。
2. 根據權利要求1所述的低轉速高穩定度步迸電機無級調速裝置，其特徵在於，所述的單片機控制裝置由鍵盤及LED接口電路和通過單片機連接的可擦 寫存儲器和分頻電路組成，且單片機的每四個I/O引腳分別與分頻電路中一片 係數乘法器的BCD碼控制端相連。
3. 根據權利要求1或2所述的低轉速高穩定度步進電機無級調速裝置，其 特徵在於，所述的單片機控制裝置還包括，連接鍵盤及LED接口電路的LED顯 示器、鍵盤。
4. 根據權利要求1或2所述的低轉速高穩定度步進電機無級調速裝置，其 特徵在於，分頻電路由四片係數乘法器按"加"模式級聯連接組成。
5. 根據權利要求1所述的低轉速高穩定度步進電機無級調速裝置，其特徵 在於，上述減速機構是減速比為10:1 60:1範圍內任選一種的減速器。
6. 根據權利要求5所述的低轉速高穩定度步進電機無級調速裝置，其特徵 在於，所述的減速器是蝸輪蝸杆減速器或是齒輪減速裝置，
專利摘要本實用新型公開了一種低轉速高穩定度步進電機無級調速裝置，包括，步進電機和與步進電機相連的步進電機驅動器。步進電機驅動器的U、V、W輸出端分別相連於步進電機的U、V、W輸入端，步進電機驅動器的脈衝輸入端連接有通過鍵盤及LED接口電路與單片機進行交互，產生對應頻率脈衝信號的單片機控制裝置，在步進電機的主軸上還連接有減速機構。本實用新型利用以單片機為核心的控制裝置，配合步進電機主軸相連的減速機構，在電機整個轉速範圍內，能夠根據用戶輸入的任意數據，產生對應的轉速，解決了現有技術無法產生某些轉速和步進電機不能在低速階段穩定工作的問題。且提供的轉速非常均勻穩定，誤差極小。
文檔編號F16H1/00GK201122925SQ20072008193
公開日2008年9月24日 申請日期2007年11月15日 優先權日2007年11月15日
發明者廖雄彬, 兵 蔣 申請人:四川新川航空儀器有限責任公司