CN201122925Y - 低转速高稳定度步进电机无级调速装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低转速高稳定度步进电机无级调速装置，包括，步进电机和与步进电机相连的步进电机驱动器。步进电机驱动器的U、V、W输出端分别相连于步进电机的U、V、W输入端，步进电机驱动器的脉冲输入端连接有通过键盘及LED接口电路与单片机进行交互，产生对应频率脉冲信号的单片机控制装置，在步进电机的主轴上还连接有减速机构。本实用新型利用以单片机为核心的控制装置，配合步进电机主轴相连的减速机构，在电机整个转速范围内，能够根据用户输入的任意数据，产生对应的转速，解决了现有技术无法产生某些转速和步进电机不能在低速阶段稳定工作的问题。且提供的转速非常均匀稳定，误差极小。

Description

低转速高稳定度步进电机无级调速装置

技术领域

本实用新型涉及一种根据用户输入的转速值，产生对应的转速，且转速低(小于150转/分)，稳定度高而误差极小的调速转速装置。

背景技术

目前，能够提供转速并且便于控制的，便是各类电机了，用得较为广泛的有交流电机、直流电机、步进电机和伺服电机。交流电机在工业控制中是用得最为广泛的一种。它价格低廉，控制方便。众所周知，交流电机的同步转速可由公式S＝60f/P计算而得，f为交流电的频率，P为电机的极对数，改变f或P就可调速。为了实现无级调速，改变P是不现实的，都是改变f。目前市面上普遍用来实现无级调速的变频器，其控制精度都比较高，一般可达0.01Hz。但是，交流电机由于自身结构的原因，电机的实际转速要比其同步转速低，而且影响电机转速的因素是很多的，如负载，电压等等，总之，交流电机的实际转速是很难控制精确的。在开环控制下，(电机的转速不反馈给控制部份)，误差能够控制在8％以内，就很不错了。即使是闭环控制(电机的转速经测速装置反馈给控制部份)，误差也不小于1％，所以，凡是要求转速很精确的场合，都不会选择交流电机。

直流电机的调速范围较广，其调速方法，归根结底，是调整电机的电磁转矩，当电机的电磁转矩与负载的阻力矩相平衡时，电机就进入恒速运转状态，主要用在负载稳定，转速精度要求不是很高的场合。而伺服电机是闭环控制方式，电机的转子上装有编码器，控制部份会根据编码器实际测得的转速与用户要求的转速进行比较，然后加以控制，动态地将电机的转速维持在用户要求的转速附近。一般可维持在给定转速的±1转/分范围内，也就是说，电机的转速最终在给定转速±1转/分的范围内会不停波动。

步进电机是脉冲控制式的，它每获得一个脉冲，电机转子就会转过一定的角度(称为步距角)，改变脉冲的频率即可得到不同的转速。步进电机转速的均匀性、稳定性是与其步距角和转速相关的，步距角越小，转速越均匀，转速越高，越稳定。但转速太小时(一般是小于100转/分)，电机有很大的振动甚至不动作。当步距角很小而转速又较高时，步进电机的转速是非常均匀与稳定的。

综上所述，适合于高稳定度无级调速的电机只能选伺服电机或步进电机，而伺服电机的不足之处是转速尚有一定的波动，且成本较高，而步进电机的转速又不能过低。

目前，很多厂家生产的步进电机都有通用的驱动器，驱动器上可以设定电机的步距角，一般有0.9度、0.6度、0.45度、0.36度、0.3度等几档。驱动器与电机的连线都很简单，驱动器与电机连接好之后，只要给驱动器一定频率的脉冲信号，电机就会输出对应的转速。电机的转速可由公式S＝fβ/6(转/分)计算而得，f表示脉冲信号的频率，β表示步进电机的步距角。为了使步进电机的转速均匀性更好，步距角应尽量取得小一些。我们要做的就是如何根据用户输入的转速值产生对应频率的脉冲。目前，根据输入产生一定频率的脉冲大都是利用单片机或DSP的定时器来实现，因为这两类微处理芯片有方便的输入输出接口，便于人机交互，而且利用其定时器产生一定频率的脉冲也是特别方便的。但是，我们可以计算一下，电机6000转/分时所需的脉冲频率f1＝6000*20＝120kHz，其周期T1＝1/f1＝8333.3ns，电机5999转/分时所需的脉冲频率f2＝5999*200＝119.98kHz，其周期T2＝1/f2＝8334.7ns，可以看出，二者周期相差只有1.4ns，目前通用的单片机最快也只是0.1μs级，DSP的运算速度也不过是ns级，是根本无法满足要求的。如何解决这一问题是个难点。

发明内容

本实用新型目的在于提供一种能够进一步减小转速误差，转速均匀稳定的低转速高稳定度步进电机无级调速机构，以解决步进电机不能在低速阶段稳定工作的情况。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种低转速高稳定度步进电机无级调速装置，包括，步进电机和与步进电机相连的步进电机驱动器，其特征在于：步进电机驱动器的U、V、W输出端分别相连于步进电机的U、V、W输入端，步进电机驱动器的脉冲输入端连接有通过键盘及LED接口电路与单片机进行交互，产生对应频率脉冲信号的单片机控制装置，在步进电机的主轴上还连接有减速机构。

本实用新型相比于现有技术具有如下有益效果。

本实用新型利用以单片机为核心的控制装置，配合步进电机主轴相连的减速机构，在电机整个转速范围内，能够根据用户输入的任意数据，产生对应的转速，解决了以前无法产生某些转速的问题，并且，经过减速后，在低速情况下，提供的转速非常均匀与稳定且误差极小，解决了步进电机不能在低速阶段稳定工作的情况。使在电机整个转速范围内实现低转速高稳定度的无级调速。

附图说明

下面结合附图和实施例进一步说明本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在所述的实施例范围之中。

图1是本实用新型的构造原理结构示意图。

图2是本实用新型控制装置的结构原理示意图。

图3是本实用新型的分频电路原理示意图。

具体实施方式

在图1中，步进电机和与步进电机相连的步进电机驱动器，以及连接步进电机驱动器和连接步进电机的减速结构组成了本实用新型的一个最佳实施例。其中电机驱动器的U、V、W输出端分别相连于步进电机的U、V、W输入端，步进电机驱动器的脉冲输入端连接带有键盘及LED接口电路与单片机进行交互的单片机控制装置。步进电机主轴连接减速机构主动轴。控制装置根据用户的输入值产生对应频率的脉冲信号，通过步进电机驱动器U、V、W输出端，将该脉冲信号送至与之相连接的步进电机U、V、W输入端。步进电机的主轴的转速通过连接的减速机构输出低速的、高稳定度而误差极小的转速。该减速机构可以是蜗轮蜗杆减速器，也可以是齿轮减速装置，减速比可在10∶1到60∶1范围内任选一种。

在图2中，单片机控制装置由键盘及LED接口电路和通过单片机连接的可擦写存储器和分频电路组成。主要包括，电连接键盘及LED接口电路的LED显示器、键盘和键盘及LED接口电路，以及通过单片机连接的可擦写存储器和分频电路，为分频电路提供时钟源的时钟芯片，时钟芯片连接于分频电路。单片机每四个I/O引脚分别与分频电路中一片系数乘法器的BCD码控制端相连。LED显示器用于显示数据，键盘用于用户输入数据，键盘与LED显示器通过键盘及LED接口电路与单片机进行交互，可擦写存储器用于存储用户输入的数据，即使掉电，用户输入的数据也不会丢失。单片机根据用户的输入值，将对应的I/O引脚设成与所需转速相应的值，使分频电路产生对应频率的脉冲。

在图3中，分频电路由四片系数乘法器按“加”模式级联连接组成，其中，每一片系数乘法器有一个由A，B，C，D四个引脚组成的BCD码控制端。以图3中系数乘法器U1为例，若其A＝0，B＝0，C＝1，D＝1，则X＝3；最后从U4的Q端输出脉冲，输出的脉冲频率可按下式计算而得：fout＝fin(1000X+100Y+10Z+W)/10000；fin为时钟源的频率，电机的转速S＝f·β/6(转/分)＝fin(1000X+100Y+10Z+W)·β/60000(转/分)，合理的选择时钟源的频率fin与步距角β，使得电机的转速S＝(1000X+100Y+10Z+W)转/分，那么，就可得到电机的任意转速，例如要求电机转速为1234转/分，那么只需将X、Y、Z、W分别设置成1、2、3、4即可。

Claims (6)

1.一种低转速高稳定度步进电机无级调速装置，包括，步进电机和与步进电机相连的步进电机驱动器，其特征在于：步进电机驱动器的U、V、W输出端分别相连于步进电机的U、V、W输入端，步进电机驱动器的脉冲输入端连接有通过键盘及LED接口电路与单片机进行交互，产生对应频率脉冲信号的单片机控制装置，在步进电机的主轴上还连接有减速机构。

2.根据权利要求1所述的低转速高稳定度步进电机无级调速装置，其特征在于，所述的单片机控制装置由键盘及LED接口电路和通过单片机连接的可擦写存储器和分频电路组成，且单片机的每四个I/O引脚分别与分频电路中一片系数乘法器的BCD码控制端相连。

3.根据权利要求1或2所述的低转速高稳定度步进电机无级调速装置，其特征在于，所述的单片机控制装置还包括，连接键盘及LED接口电路的LED显示器、键盘。

4.根据权利要求1或2所述的低转速高稳定度步进电机无级调速装置，其特征在于，分频电路由四片系数乘法器按“加”模式级联连接组成。

5.根据权利要求1所述的低转速高稳定度步进电机无级调速装置，其特征在于，上述减速机构是减速比为10∶1～60∶1范围内任选一种的减速器。

6.根据权利要求5所述的低转速高稳定度步进电机无级调速装置，其特征在于，所述的减速器是蜗轮蜗杆减速器或是齿轮减速装置，