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❻ 如何確定步進電機的脈沖數

步進電機驅動及控制技術解答
南京步進電機廠技術部

1.步進電機為什麼要配步進電機驅動器才能工作？
步進電機作為一種控制精密位移及大范圍調速專用的電機, 它的旋轉是以自身固有的步距角角（轉子與定子的機械結構所決定）一步一步運行的, 其特點是每旋轉一步，步距角始終不變，能夠保持精密准確的位置。所以無論旋轉多少次，始終沒有積累誤差。由於控制方法簡單，成本低廉，廣泛應用於各種開環控制。步進電機的運行需要有脈沖分配的功率型電子裝置進行驅動, 這就是步進電機驅動器。它接收控制系統發出的脈沖信號，按照步進電機的結構特點，順序分配脈沖，實現控制角位移、旋轉速度、旋轉方向、制動載入狀態、自由狀態。控制系統每發一個脈沖信號, 通過驅動器就能夠驅動步進電機旋轉一個步距角。步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。角位移量與脈沖個數相關。步進電機停止旋轉時，能夠產生兩種狀態：制動載入能夠產生最大或部分保持轉矩（通常稱為剎車保持，無需電磁製動或機械制動）及轉子處於自由狀態（能夠被外部推力帶動輕松旋轉）。步進電機驅動器，必須與步進電機的型號相匹配。否則，將會損壞步進電機及驅動器。

2.什麼是驅動器的細分？運行拍數與步距角是什麼關系？
「細分」是針對「步距角」而言的。沒有細分狀態，控制系統每發一個步進脈沖信號，步進電機就按照整步旋轉一個特定的角度。步進電機的參數，都會給出一個步距角的值。如110BYG250A型電機給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這是步進電機固有步距角。通過步進電機驅動器設置的細分狀態，步進電機將會按照細分的步距角旋轉位移角度，從而實現更為精密的定位。以110BYG250A電機為例，列表說明：
電機固有步距角 運行拍數 細分數 電機運行時的真正步距角
0.9°/1.8° 8 2細分，即半步狀態 0.9°
0.9°/1.8° 20 5細分狀態 0.36°
0.9°/1.8° 40 10細分狀態 0.18°
0.9°/1.8° 80 20細分狀態 0.09°
0.9°/1.8° 160 40細分狀態 0.045°

可用看出，細分數就是指電機運行時的真正步距角是固有步距角(整步）的幾分指一。例如，驅動器工作在10細分狀態時，其步距角只有步進電機固有步距角的十分之一。當驅動器工作在不細分的整步狀態時，控制系統每發一個步進脈沖，步進電機旋轉1.8°；而用細分驅動器工作在10細分狀態時，電機只轉動了0.18° 。其實，細分就是步進電機按照微小的步距角旋轉，也就是常說的微步距控制。當然，不同的場合，有不同的控制要求。並不是說，驅動步進電機必須要求細分。有些步進電機的步距角設計為3.6°、7.5°、15°、36°、180°，就是為了加大步距角，以適應特殊的工況條件。細分功能，只是是由驅動器採用精確控制步進電機的相電流方法，與步進電機的步距角無關，而與步進電機實際工作狀態相關。
運行拍數與驅動器細分的關系是：運行拍數指步進電機運行時每轉一個齒距所需的脈沖數。例如：110BYG250A電機有50個齒，如果運行拍數設置為160，那麼步進電機旋轉一圈總共需要50×160＝8000步；對應步距角為360°÷8000＝0.045°。這就是驅動器設置為40細分狀態。對於用戶來說，沒有必要去計算幾步幾拍，這是生產廠家配套的事情。用戶只要知道：控制系統所發出的脈沖率數，除以細分數，就是步進電機整步運行的脈沖數。例如：步進電機的步距角為1.8°時，每秒鍾200個脈沖，步進電機就能夠在一秒鍾內旋轉一圈；當驅動器設置為40細分狀態，步進電機每秒鍾旋轉一圈的脈沖數，就要給到8000個。

3.驅動器細分有什麼好處？
步進電機驅動器採用細分功能，能夠消除步進電機的低頻共振（震盪）現象，減少振動，降低工作噪音。隨著驅動器技術的不斷提高，當今，步進電機在低速工作時的噪音已經與直流電機相差無幾。低頻共振是步進電機（尤其是反應式電機）的固有特性，只有採用驅動器細分的辦法，才能減輕或消除。
利用細分方法，又能夠提高步進電機的輸出轉矩。驅動器在細分狀態下，提供給步進電機的電流顯得「持續、強勁」，極大地減少步進電機旋轉時的反向電動勢。
驅動器的細分功能，改善了步進電機工作的旋轉位移解析度。因此，步進電機的步距角，就沒有必要做得更小。選擇現有的常規標准步距角的步進電機，配置40細分以下的驅動器，就能夠完成精密控制任務。由於步進電機步距角的原因，驅動器的細分數再加大，已經沒有實際意義。通常，選擇5、8、10、16、20細分，就能夠適應各種工控要求。

4.步進電機的運行方向有幾種方法調整？
平時，採用三種方法來該變步進電機的旋轉方向。
一、 改變控制系統的方向信號，即高電平或低電平。
二、 對於有兩路脈沖輸入的驅動器，改變脈沖的順序。
三、 調整步進電機其中一組線圈的兩個線頭位置，重新接入驅動器。 具體方法見下表：
電機接線方式 原來接線序列 換向後接線序列
兩相四線 A，A'，B，B' A'，A，B，B'或者A，A'，B'，B
三相三線 A，B，C B，A，C或者A，C，B
三相六線 A，A'，B，B'，C，C' B，B'，A，A'，C，C'或者A，A'，C，C'，B，B'
五相五線 A，B，C，D，E E，D，C，B，A


5．四相六根和八根線的，如何使用兩相四線驅動器？
四相混合式步進電機，可以認為是二相混合式步進電機。多組線圈多個抽頭，是為了適應不同工況條件而設計的。由於步進電機的線圈，與轉速、轉矩有著密切的關系。高速與低速工作的步進電機參數有所不同。通常，高速步進電機的電感要求小一點，低速工作時要求大一點的電感量。但是，這也不是絕對的。更多的實際應用，還考慮權衡其它眾多相關因素。下面就幾種步進電機的線圈繞組及出線，採用雙極性驅動器，說明接線方法：
兩相四線電機：1 和2為一相，分別接A和/A；3和4為一相，分別接B和/B。參考下圖：

四相六線電機，兩種方法接線：
一、1和2為一相，分別接A和/A；5和6為一相，分別接B和/B。
3和4不用，分別懸空（不要相連）。
二、1、3為一相，定義A、/A；4、6為一相，定義為B、/B。2和5分別懸空不用（不要相連）。
參考下圖：

四相八線電機， 有兩種接法。
並聯接法：1和3相連=A，2和4相連=/A；5和7相連=B，6和8相連=/B。
聯接法：1和4為一相，分別接A和/A；2、3連接好不用；5、8為一相，分別接B、/B，6、7連接好不用。
參考下圖：

6.四相五線步進電機如何接驅動器？
上述四相六線、八線步進電機，都可在生產過程中，接為五線制，適應特殊需要。驅動器就要選擇單極性驅動方式，例如HSM8672單極性步進電機驅動器。如上圖：四相六線步進電機的2、5並聯為一條線接公共電源；四相八線步進電機的2、3、6、7並聯為一條線接公共電源。其它四條線分別接：A、/A、B、/B。

7.電機在低速運行時正常，為何稍高一點的頻率略就會堵轉？
步進電機跑高速需要高電壓支持。步進電機的工作電壓，能夠適應在較大范圍內調整。只要將輸入電壓加高一點，就可以解決。但是，要特別注意驅動器的輸入電壓不能高於驅動器電源端標注的最高電壓，否則，會燒毀驅動器。

8.接線全部完好，為何開機時步進電機在抖動而不能運行？
步進電機只能夠由數字信號控制運行的，當脈沖提供給驅動器時，在過於短的時間里，控制系統發出的脈沖數太多，也就是脈沖頻率過高，將導致步進電機堵轉。要解決這個問題，必須採用加減速的辦法。就是說，在步進電機起步時，要給逐漸升高的脈沖頻率，減速時的脈沖頻率需要逐漸減低。這就是我們常說的「加減速」方法。

步進電機轉速度，是根據輸入的脈沖信號的變化來改變的。從理論上講，給驅動器一個脈沖，步進電機就旋轉一個步距角（細分時為一個細分步距角）。實際上，如果脈沖信號變化太快，步進電機由於內部的反向電動勢的阻尼作用，轉子與定子之間的磁反應將跟隨不上電信號的變化，將導致堵轉和丟步。所以步進電機在高速啟動時，需要採用脈沖頻率升速的方法，在停止時也要有降速過程，以保證實現步進電機精密定位控制。加速和減速的原理是一樣的。下面就加速實例加以說明：
加速過程，是由基礎頻率（低於步進電機的直接起動最高頻率）與跳變頻率（逐漸加快的頻率）組成加速曲線（降速過程反之）。跳變頻率是指步進電機在基礎頻率上逐漸提高的頻率，此頻率不能太大，否則會產生堵轉和丟步。加減速曲線一般為指數曲線或經過修調的指數曲線，當然也可採用直線或正弦曲線等。使用單片機或者PLC，都能夠實現加減速控制。對於不同負載、不同轉速，需要選擇合適的基礎頻率與跳變頻率，才能夠達到最佳控制效果。指數曲線，在軟體編程中，先算好時間常數存貯在計算機存貯器內，工作時指向選取。通常，完成步進電機的加減速時間為300ms以上。如果使用過於短的加減速時間，對絕大多數步進電機來說，很難實現步進電機的高速旋轉。

很多工控場合，要求步進電機運行平穩、振動小、噪音低、瞬間完成執行指令、高精度定位，都需要在編寫軟體時使用加減速方法。脈沖頻率的不同時間常數，對於某個工控現場步進電機的運行，將會產生不同的控制效果。這就要求控製程序的編寫人員，深入了解控制要求，明確運動目標，做到錦上添花，力求完美。
9.有些場合，步進電機為何還要閉環控制？
本來步進電機，使用開環控制，能夠省去很多檢測、反饋器件及控制電路，以簡單的控制方法，價廉物美的優勢，取代很多伺服電機的控制。尤其在低速控制（3000轉/分鍾以下）環境中，使用步進電機精密控制，有很好的性價比。就是採用閉環控制，其成本也要遠低於伺服電機的控制系體成本。在某些工控環境中，負載有可能會隨機發生過載現象，使用步進電機開環控制，就會發生丟步。此時，控制系統無法知道丟了多少步，繼續按照既定目標工作，導致工作失誤。這樣，就要求在步進電機帶動的主軸上安裝旋轉編碼器，或者安裝光電探頭、磁敏探頭、行程開關等器件，來識別位移物體是否到位，採集到的信號反饋到控制系體，適時修正工作參數，指令步進電機准確動作。
10.控制器與驅動器的連線是否要求屏蔽？
如果只有步進電機一種動力源的工控環境，通常不需要將信號線屏蔽。當步進電機周圍，有其它動力源或能夠產生干擾信號的高壓電磁場，就必須將信號線屏蔽，以保證控制信號的指令，能夠正確指令步進電機運動。只要控制信號線中有任何由外部干擾源產生的跳變信號，電流強度達到幾個毫安，能夠推動光耦合，就能夠致使步進電機誤動作。因此，為保證步進電機正確執行指令，最好將控制器與驅動器連線加以屏蔽。
11.遠距離控制步進電機如何布線？
步進電機與驅動器之間的連線、控制器與驅動器之間的連線，都允許延長。主要測算好電壓衰減參數，補償信號衰減，都能夠實現遠距離控制步進電機。
12.步進電機與驅動器之間的連線是否要求屏蔽？
絕大多數的工控環境中，無需屏蔽。某些特殊的工控環境中，由於高壓強磁場的干擾，還是要求採用屏蔽保護。

❼ 標准節流裝置設計計算

我們以角接取壓標准節流裝置為例，說明節流裝置的設計計算方法。
1.設計任務書
1)被測介質
過熱蒸汽
2)流量范圍
qmmax=250t/h
qm=200t/h
qmmin=100t/h
3)工作壓力
p=13.34MPa(絕對)
4)工作溫度
t=550°C
5)允許壓力損失
δp=59kPa
6)管道內徑
D20=221mm(實測)
7)管道材料
X20CrMoWV121無縫鋼管
8)管路系統布置如圖3-16所示。
要求設計一套標准節流裝置。
2.設計步驟
(1)求工作狀態下各介質參數
查表得工作狀態下過熱蒸汽的粘度η=31.83´10-6Pa•s，密度ρ=38.3475kg/m3，管道的線膨脹系數λD=12.3´1O-6mm/(mm•°C)，取過熱蒸汽的等熵指數k=1.3。
(2)求工作狀態下管道直徑
D=D20[1+λD(t-20)]
=221[1+12.3´10-6(550-20)]=222.44mm
(3)計算雷諾數ReD
ReD=0.354qm/(Dη)
=0.354´200000/(222.44´31.83´10-6)=107
(4)選取差壓上限
考慮到用戶對壓力損失的要求，擬選用噴嘴，對於標准噴嘴，可根據式(3-33)取
Δpmax=3δp=3´59=177kPa
選用最靠近的差壓系列值，取Δpmax=160kPa，對應正常流量下的差壓Δp為
Δp=(200/250)2´160=102.4kPa
(5)求不變數A2
(6)設C0=1，ε0=1
(7)據公式
進行迭代計算，從n=3起，Xn用快速弦截法公式
進行計算，精度判別公式為En=δn/A2，假設判別條件為|En|≤5
´
10-10(n=1，2，…)，則Xn;βn;Cn;εn;δn;En的計算結果列於表3-11。
當n=4時，求得的E小於預定精度，因此得
β=β4=0.6922131
C=C4=0.9399332
(10)求d20
設噴嘴材料為1Cr18Ni9Ti，查表得λd=
18.2×10-6，則
(11)確定安裝位置
根據β=0.7和管路系統，查表3-1可得
根據實際管路系統情況，可將節流裝置安裝在任務書中圖示位置上。但節流件前直管段長度l1不滿足長度要求，在流出系數不確定度上應算術相加±0.5%的附加不確定度O
假設溫度，壓力的測量不確定度為±1%，則δρ/ρ=±1%。
3.50±%4

❽ 氣力輸送裝置的氣力輸送裝置設計計算

①原始資料收集
②設計程序
③計算和確定有關參數
④系統壓力損失的計算
a.主要參數
懸浮速內度：懸浮速度集中反映了被容輸送物料的主要物理特性，是在氣力輸送計算中具有實用意義的原始數據。懸浮速度常通過試驗測定。計算時可查有關設計手冊。
氣流輸送速度：氣力輸送速度關繫到裝置運轉性能的好壞和經濟性。針對不同物料，均存在有一個最適宜的輸送氣流速度值，即「經濟速度」或「安全速度」。
「安全速度」很難用計算求得，一般由試驗確定。