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1、上海工程技术大学创新实验（论文） 太阳能光伏板组清洗及控制系统大学生创新活动计划项目合同书项 目 名 称 光伏电池板组的除尘清洗机器人装置 项目负责人 徐嘉俊 班 级/专 业 011210112/现代装备与控制工程 通 讯 地 址 机械工程学院 手 机 18616554035 指 导 教 师 杭鲁滨 项目起止日期 2011 年 6 月 2012 年 5 月大学生创新活动计划领导小组二八年二月制定目 录摘要 1ABSTRACT 20 引言 41 太阳能光伏板组清洗机构的结构和原理 511 太阳能光伏板清洗机构的结构 612 太阳能光伏板清洗机构的工作过程 72 机械部件选型计算21 丝杠选型计算
2、22 清洗直流电机选型计算23 带轮选型计算24 轴承选型计算25 装置三维建模3 电气元件选型31 传感器选型32 继电器选型33 编码器选型4 步进电机的选择41 步进电机的基础理论411 步进电机的分类、结构、原理412 步进电机的基本特性42 步进电机的选型计算43 步进电机驱动电路的选择5 PLC控制步进电机工作方式的选择51 PLC的选择52 常见的步进电机的工作方式53 步进电机控制原理54 PLC控制步进电机的方法55 PLC控制步进电机的设计思路6 控制系统的软件设计61 STEP7概述62 STEP7项目的创建63 本设计相关指令7 总结展望8 参考文献9 原文说明摘 要由
3、于尘埃阻挡太阳光，影响硅光板的光电效应，使得发电效率将降低35-40%。太阳能光伏电池板发电效率每提升12个百分点， 将耗费大量研发的资金。在已知的太阳能光伏电池板组的清洗方式中，目前国内外主要采用价格昂贵的自洁材料；以及危险性大的人工清理方式。也有少量采用自动清洗装置，但都是针对单块太阳能光伏电池板的清洁。但在实际的太阳能发电厂中，都采用了成排安装的太阳能光伏电池板组，所以只能清洗单块太阳能光伏电池板的自动清洗装置无法运用在太阳能发电厂中，使其实际应用价值受到很大的限制。因此，本文提出了一种适用性更为广阔的太阳能光伏电池板组除尘清洗机器人的清洗装置，能对大型太阳能发电厂的太阳能光伏电池板组进
4、行清洁。采用了PLC运动控制技术等，实现了精确控制，清洗效果良好。关键词：光伏电池板组，发电效率，自动清洗装置，运动控制技术一种太阳能光伏板组清洗机器人清洗及控制系统徐嘉俊 0112101120 引言技术领域本设计涉及一种太阳能光伏电池板组除尘清洗机器人装置，尤其是一种清洗大型太阳能发电厂中成排安装的太阳能光伏电池板组的清洗机器人，适用于各类太阳能发电厂区大规模光伏电池板组的除尘清洗作业。背景技术太阳能光伏电池板发电效率每提升12个百分点， 将耗费大量研发的资金；而由于尘埃阻挡太阳光，影响硅光板的光电效应，使得发电效率将降低35-40%。因此太阳能光伏电池板除尘和清洗势在必行，且前景广阔。在已
5、知的太阳能光伏电池板组的清洗方式中，目前国内外主要采用价格昂贵的自洁材料；以及危险性大的人工清理方式。也有少量采用自动清洗装置，但都是针对单块太阳能光伏电池板的清洁。如目前公开介绍的资料见到：郑州经济技术开发区一发明人提出的实用新型专利“太阳能电池板自动除尘装置”，采用线性马达方式行走机械进行清洗和除尘，但要求清洗对象是单块太阳能光伏电池板，无法对成排安装的电池板组进行除尘清洗。但在实际的太阳能发电厂中，都采用了成排安装的太阳能光伏电池板组，所以只能清洗单块太阳能光伏电池板的自动清洗装置无法运用在太阳能发电厂中，使其实际应用价值受到很大的限制。因此，提出一种适用性更为广阔的太阳能光伏电池板组除
6、尘清洗机器人装置，能对大型太阳能发电厂的太阳能光伏电池板组进行清洁，就成为太阳能光伏电池板清洗机器人研发者为将这一装置真正广泛投入应用时必须解决的课题。1 太阳能光伏板组清洗机构的结构和原理1.1 太阳能光伏板清洗机构的结构这种太阳能光伏电池板组除尘清洗机器人，由除尘清洗装置、地面随动小车装置组成，其特征在于：所述的除尘清洗装置包括由直流驱动电机、压紧轮、压紧轮支架、行走轮、行走轮悬挂、直流定位电机、跨越轮、磁性传感器组成的行走机构1，由步进电机、直流电机、滚珠丝杠滑台、导轨、滑块、内外壳体、清洁滚刷、水渍刮板、传动带轮、传动带、磁性传感器组成的清洗机构3；所述的地面随动小车装置由控制系统和供
7、水系统组成。所述的清洗机构3由外壳体3-1、内壳体3-2、连接外壳体内表面下方和内壳体外表面下方的滚珠丝杠滑台3-3、驱动滚珠丝杆滑台3-3的步进电机3-4、步进电机3-4的减速器3-5、安装在内壳体两侧的两套直线滑块和导轨3-6、固定在内壳体外沿表面的橡胶密封圈3-7、3个安装在内壳体中的清洁滚刷3-8、带动清洁滚刷的带轮3-10、传动带3-11、驱动传动带轮的直流电机3-12、两端固定在上下主机架1-1上且滑块固定在外壳体外表面上的滚珠丝杆3-14、驱动滚珠丝杆3-14的步进电机3-15、两端固定在主机架1-1上的直线圆导轨3-17、直线轴承3-18、固定在外壳体表面上的刮水渍橡胶条3-1
8、9组成、磁性传感器组成。图1.1 整体结构示意图图1.2 清洗机构部件图1.2 太阳能光伏板清洗机构的工作过程所述的行走机构1通过夹紧轮将装置固定在太阳能光伏电池板上，所述的地面随动小车装置放置于太阳能光伏电池板下的地面上。当该清洗机器人开始工作时，清洗机构3在横向滚珠丝杠滑台带动下贴紧电池板表面、在纵向滚珠丝杠滑台的带动下由上而下清洁电池板表面，清洗完一个行程后，行走机构1向前行走一段距离，清洗机构3重复上述动作，同时，地面随动小车装置在直流驱动电机牵引下，与行走机构1保持合适的距离，当遇到两块电池板间的间隙时，行走机构1的跨越轮在直流定位电机牵引下折下，作为跨越支点使用，跨越完毕再翻着回去
9、。整个清洗过程重复如上步骤。2 机械部件选型计算2.1 丝杠选型计算丝杠轴向工作载荷F=120N，轴向工作速度vx=0.01m/s，行程L=150mm，要求自锁。1、牙型、材料和许用应力采用梯形螺纹，单项n=1，丝杠45钢，螺母ZCuSn5Pb5Zn5，由表7.2-6，初按滑动速度vs3m/s，许用应力pp=1118N/mm2，取pp=11N/mm2，丝杠的许用应力：45钢屈服点s=340N/mm2，由表2.1得， P=s35=34035=（113.468）N/mm2，取P=90N/mm2，bP=1.01.2P=1.01.290N/mm2=（90108）N/mm2，取bP=99N/mm2，P=
10、0.6P=0.690N/mm2=54N/mm2 ，螺母的许用应力：bP=（4060）N/mm2，取bP=50N/mm2；P=（3040）N/mm2，取P=35N/mm2 表2.1 滑动螺旋副材料牙面滑动速度vs/ms螺杆材料螺母材料许用比压pp/Nmm-2低速、润滑良好钢钢7.513青铜18252.4钢铸铁131815钢青铜122、按耐磨性设计采用整体式螺母，取=1.8，计算丝杠中径d20.8FpP=0.81201.811mm=1.97mm按梯形螺纹标准，取丝杠螺纹参数：P=2mm，d=3.549mm，d2=2.799mm，d1=2.049mm。螺母螺纹参数略。螺母高度H=d2=1.82.79
11、9mm=5.04mm，取H=5mm，螺纹旋合圈数z=HP=53=1.67，螺纹工作高度h=0.5P=0.53mm=1.5mm。3、验算耐磨性导程角=arctanSd2=arctan32.799=18.8380牙面滑动速度vs=d2vxScos=2.7990.153cos18.8380=0.46m/s，查表2.2许用应力pP初取值合适，不再作耐磨性验算。表2.2 滑动螺旋副材料的许用比压pp牙面滑动速度螺杆材料螺母材料许用比压低速、润滑良好钢钢7.513青铜18252.4钢铸铁131815钢青铜124、验算自锁查表2.3，摩擦因数=0.9，梯形螺纹牙型角=30，当量摩擦角v=arctancos2
12、=arctan0.15cos302=42.9765，=18.8380v=42.9765，满足自锁要求。表2.3 螺旋副材料的摩擦因数值螺杆和螺母材料值淬火钢对青铜0.060.08钢对青铜0.080.10钢对耐磨铸铁0.100.12钢对灰铸铁0.120.15钢对钢0.110.175、计算丝杠强度螺纹摩擦转矩T1=12d2Ftan+v=124860103tan3.0368+5.3232=2.116105Nmmca=(4Fd12)2+3(T10.2d13)2=(460103432)2+3(2.1161050.2432)2=47.3N/mm2ca=47.3Nmm2P=90N/mm2，满足强度要求6、螺
13、牙强度计算钢质丝杠螺牙强度高于青铜质螺母，只计算螺母的螺牙强度牙根宽度b=0.65P=0.658mm=5.2mm，=Fdbz=60103525.210.75=6.57N/mm2b=3Fhdb2z=3601034525.2210.75=15.16N/mm2=6.75N/mm2P=35N/mm2，牙根剪切满足强度要求b=15.16N/mm2bP=50N/mm2，牙根弯曲满足强度要求7、丝杠的受压稳定性计算丝杠两端滚动轴承支承，可视为两端铰支，长度系数1=1，惯性半径i=d14=434mm=21.5mm丝杠最大工作长度lL=150mm参数1li=115021.5=69.8(2.54)，丝杠满足受压稳
14、定性要求。2.2 清洗直流电机选型计算清洗滚刷的圆周力F=20N，带速v=4m/s，滚刷直径D=100mm。在常温下连续单向工作，载荷较平稳，环境有轻度粉尘，结构尺寸无特殊限制.1、拟定传动方案。为了估计传动装置的总传动比范围，以便选择合适的传动机构和拟定传动方案，可先由已知条件计算其驱动（滚刷轴）的转速nw，即nw=601000vD=6010001.2260300r/min2、选择电动机（1）电动机类型和结构形式按工作要求和工作条件，选用一般用途的ZY系列直流永磁电动机。（2）电动机容量1）滚刷轴的输出功率PwPw=Fv1000=2041000=80W2）电动机输出功率PdPd=Pw传动装置
15、的总效率=12234式中， 1 、2为电动机至卷筒轴之间的各传动机构和轴承的效率。由表2-4查得：平带传动1=0.97；滚动轴承2=0.99；弹性联轴器3=0.99；滚动轴承4=0.99。则，=0.970.9920.990.990.86故Pd=Pw=800.86=93.02W3）电动机额定功率Ped由机械设计手册5表35.2-24选取电动机额定功率Ped=108W。由于电源为24V直流电源，故，选取电机型号为55ZY55。 （4）电动机的技术数据和外形、安装尺寸主要技术数据和外形、安装尺寸表2.4 电机技术数据型号电压/V转速/rmin-1转矩/mNm电流/A功率/W允许正反转速差/rmin-
16、190ZY232430003508.2108300图2.1电动机安装尺寸2.3 带轮选型计算设计梯形齿同步带传动。电动机型号90ZY23，其额定功率P=108W。额定转速n1=300r/min，传动比i=1，轴间距约为110mm。每天工作（按16h计）。由于梯形齿同步带与V带传动相比，传动更平稳；与圆弧齿同步带传动相比，圆弧齿同步带更适用于大功率传动，在本清洗机构中，清洗滚刷不是大功率传动。故选用梯形齿同步带（v50m/s、P300kW）（1）设计功率Pd由表2.5查得KA=1.6，Pd=KAP=1.6108W=172.8W表2.5 载荷修正系数KA工作机原动机交流电动机，直流电动机，多缸内燃
17、机交流电动机，直流电动机，单缸内燃机运转时间运转时间断续使用每日35h普通使用每日810h连续使用每日1624h断续使用每日35h普通使用每日810h连续使用每日1624hKA复印机、计算机、医疗器械1.01.21.41.21.41.6清扫机、缝纫机、办公机械、带锯盘1.21.41.61.41.61.8轻载荷传送带、包装机、筛子1.31.51.71.51.71.9液体搅拌机、圆形带锯、平碾盘、洗涤剂、造纸机、印刷机械1.41.61.81.61.82.0搅拌机、带式输送机、牛头刨床、中挖掘机、离心压缩机、振动筛、纺织机械、回转压缩机、往复式发动机1.51.71.91.71.92.1输送机抽水泵、
18、洗涤机、鼓风机、发动机、激励机、卷扬机、起重机、橡胶加工机、纺织机械1.61.82.01.82.02.2离心分离机、输送机、锤击式粉碎机、造纸机1.71.92.11.92.12.3陶土机械、矿山用混料机、强制送风机1.82.02.22.02.22.4（2）选定带型和节距根据Pd=172.8W和n1=300r/min，由图2.2确定为L型，节距pb=9.525mm图2.2 梯形齿同步带选型图（3）带轮1齿数z1根据带型XL和小带轮转速n1，由表6.1-63查得小带轮的最小齿数z1min=12，此处取z1=12表2.6 小带轮的最小齿数Zmin小带轮转速n1/rmin-1带型MXLXXLXLLHX
19、HXXH9001012142222900120012121012162424120018001414121418262618003600161612162030-360048001818151822-（4）带轮1节圆直径d1d1=z1pb=129.525mm=36.38mm由表2.7查得其外径da1=d1-2=36.38-0.762mm=35.62mm表2.7 直边齿轮带的尺寸和公差项目符号带型MXLXXLXLLHXHXXH两倍节顶圆20.5080.5080.5080.7621.3722.7943.048外圆直径dada=d-2（5）带轮2齿数z2z2=iz1=112=12（6）带轮2节圆直径
20、d2d2=z2pb=129.525mm=36.38mm由表6.1-67查得其外径da2=d2-2=36.38-0.762mm=35.62mm（7）带速vv=d1n1601000=36.38300601000m/s=0.57m/s（8）初定轴间距a0取a0=110mm（9）带长及其齿数L0=2a0+2d1+d2+(d2-d1)24a0 =2110+236.38+36.38+(36.38-36.38)24450mm =334.29mm由表6.1-58查得应选用带长代号为150的L型同步带，其节线长Lp=381.00mm，节线上额定齿数z=40。（11）带轮1啮合齿数zmzm=entz12-pbz1
21、22a(z2-z1) =ent122-9.5251222110(12-12) =6（12）根据表2.8，基本额定功率P0P0=Ta-mv2v1000 =(244.46-0.0950.572)0.571000kW =139.3W表2.8 基准宽度同步带的许用工作拉力Ta和单位长度的重量带型MXLXXLXLLHXHXXHTa/N273150.17244.462100.854048.96398.03m/kgm-10.0070.010.0220.0950.4481.4842.473（13）所需带宽bsbs=bs01.14PdKZP0由表2.9查得L型带bs0=25.4mm，zm=6；KZ=1.6。bs
22、=25.41.140.17280.1393mm=30.66mm由机械设计手册第2卷带轮设计表格查得，应选带宽代号为050的L型带，其bs=12.7mm。表2.9 同步带的基准宽度bs0带型MXL XXLXLLHXHXXHbs06.49.525.476.2101.6127（14）带轮结构和尺寸传动选用的同步带为150L050；带轮1：z1=12，d1=36.38mm，da1=35.62mm带轮2：z2=12，d2=36.38mm，da2=35.62mm表2.10 梯形齿标准同步带的齿形尺寸带型节距pb齿形角2齿根厚s齿高ht带高hs齿根圆角半径rr齿顶圆角半径raMXL2.032401.140.
23、511.140.130.13XXL3.175501.730.761.520.200.30XL5.080502.571.272.30.380.38L9.525404.651.913.60.510.51H12.700406.122.294.31.021.02XH22.2254012.576.3511.21.571.19XXH31.7504019.059.5315.72.291.522.4 轴承选型计算1、选用深沟球轴承轴承转速n为300r/min轴承所受径向载荷Fr为5N。轴承不受轴向载荷Fa2、滚动轴承的尺寸选择按额定动载荷选择轴承尺寸轴承的寿命与载荷间的关系可表示如下：L10=(ftCP)或L
24、10h=10660n(ftCP)式中， L10为基本额定寿命（106r）， L10h为基本额定寿命（h）。 C为基本额定动载荷（N）， P为当量动载荷（N） ft为温度系数 n为轴承工作速度（r/min） 为寿命指数（球轴承=3，滚子轴承=103）表2.11 温度系数ft工作温度/C120125150175200225250300ft10.950.90.850.80.750.790.6如果轴承的预期寿命Lh和转速n均已知，当量动载荷P也已确定，基本额定动载荷C的计算式为C=Pft60nLh106当量动载荷按下式计算：P=XFr+YFa式中， P为当量动载荷（N） Fr为轴承所受径向载荷（N）
25、Fa为轴承所受轴向载荷（N） X为径向动载荷系数 Y为轴向动载荷系数根据表2.12，取轴承预期寿命Lh=5000h，由于所选用的深沟球轴承属于向心轴承，故，FaFre (e=0.190.44)Fa=0，Fr=1故，P=Fr=5N故，基本额定动载荷C的为C=Pft60nLh106=513601205000106=90N选定基本额定动载荷CC的轴承型号。查表，选用如下型号轴承：d=3，D=8，B=3，轴承代号619/3表2.12 不同应用场合下预期寿命Lh使用条件使用寿命/h不经常使用的仪器和设备3003000短期或间断使用的机械，中断使用不致引起严重后果，如手动机械、农业机械、装配起重机；自动送
26、料装置30008000间断使用的机械，中断使用将引起严重后果，如发电站辅助设备、流水作业的传动装置、带式输送机、车间起重机800012000每天8h工作的机械，但经常不是满载荷使用，如电动机、一般齿轮装置、压碎机、起重机和一般机械1000025000每天8h工作，满载荷使用，如机床、木材加工机械、工程机械、印刷机械、分离机、离心机200003000024h连续工作的机械，如压缩机、泵、电机、轧机齿轮装置、纺织机械400005000024h连续工作的机械，中断使用将引起严重后果，如纤维机械、造纸机械、电站主要设备、给排水设备、矿用泵、矿用通风机1000003 电气元件选型3.1 传感器选型由于考
27、虑到光伏电厂很多建立在沙漠中，故光电传感器容易受到沙尘的影响，故选用磁性传感器。图3.1 FESTO磁性传感器表3.1 磁性传感器技术参数SMAT-8M-U-E-0,3-M8D电源 V1530感测原理非接触式，磁性感测范围最多40 mm，视驱动器而定重复精度 mm0,1 mm，在气爪上为 0,025 mm输出 V010连接0.3 m电缆，M8插头，4针防护等级IP65 和 68认证UL, C-Tick3.2 继电器选型图3.2 G7SA安全继电器表3.2 继电器技术参数额定电压额定电流(mA)线圈电阻()动作电压(V)复位电压(V)最大连续允许电压(V)功率消耗(mW)DC24V4极：156极
28、：20.84极：1,6006极：1,15275%以下10%以上110%4极：约3606极：约500注1. 额定电流，线圈电阻为线圈温度+23时的数值，公差为15%。注2. 动作特性为线圈温度+23时的数值。注3. 最大连续允许电压为使用环境温度为+23时的最大值。3.3 编码器选型图3.3 OMRON编码器E6H-C增量型 外径40(中空轴)采用不需要耦合器的空心轴小型、高分辨率的通用型（1）对应宽范围电源电压DC524V(集电极开路型)（2）外径40,备有到3,600P/R的高分辨率（3）厚度26mm的薄型（4）还备有线性驱动输出(最大可延长100m)4 步进电机的选择4.1 步进电机的基础
29、理论4.1.1 步进电机的分类、结构、原理当步进电机切换一次定子绕组的激磁电流时，转子就旋转一个固定角度即步距角。步距角一般由切换的相电流产生的旋转力矩得到，所以需要每相极数是偶数。步进电机通常都为两相以上的，当然也有一些特殊的只有一个线圈的单相步进电机。虽说单相，实为一个线圈产生的磁通方向交互反转而驱动转子转动。实用的步进电机的相数有单相、两相、三相、四相、五相。现在使用的步进电机大部分用永磁转子。普遍使用永久磁铁的原因是效率高，分辨率高等优点。以下以介绍永磁转子为主。1、决定步距角的因素步进电机分辨率（一圈的步数，360除以步距角）越高，位置精度越高为了得到高分辨率，设计的极数要多。PM型
30、转子为N与S极在转子的铁心外表面上交互等节距放里，转子极数为N极与S极数之和，假设极对数为1。此处确定转子为永久磁铁的步进电机的步距角S，由式（4. 1）表示，其中Nr为转子极对数，P为定子相数。S=180PNr （4.1）式（4.1）的物理意义如下:转子旋转一周的机械角度为360，如用极数2Nr去除，相当于一个极所占的机械角度即180Nr，这就是说，一个极的机械角度用定子相数去分割就得到步距角，此概念如图4.1所示由式（4.1）可知，步距角越小，分辨率越高，因此要提高步进电机的分辨率，就要增加转子极对数Nr，或采用定子相数P较多的多相式方法。而Nr的增加受到机械加工的限制，所以要制造高分辨率
31、的步进电机需要两种方法并用才行。图4.1 步进电机步距角原理图2、单相步进电机 单相步进电机是在一个线圈骨架上缠绕环形线圈，给它通以正负交变的电流，每切换一次电流就按固定方向走一步。由于转子磁路所通过的磁导（磁阻的倒数，表示磁通流过的容易程度）变大为其转动方向，故单相步进电机只能按一个方向运动。为使转动方向确定，磁导采取了多种措施，例如使定子磁极宽于转子，定子与转子之间的工作气隙不均匀，转动方向为磁阻小的方向。图4. 2为单相步进电机的转动原理。图4.2（a）定子绕组通正电流，定子磁极产生N和S极，转子的N和S极被定子磁极吸引，停在图示位置。当定子电流由正变负时，在切换过程中，电流接近于零，定
32、子对转子的吸引力接近零，此时转子磁通产生的转矩为主，如图4. 2（b）所示，转子的磁通要走气隙最小的路径，故转子在磁通力矩的作用下，沿箭头方向运动到转子磁极轴线（N和S极的中心线）正对气隙最小处停止。当定子绕组为负电流时，如图4.2（c）所示，定子磁极的极性反转，转子磁极受到定子N和S极的斥力和引力作用，沿箭头方向运动，直到定转子磁极轴线重合时转子停止运动。加在绕组上的电流再次变换方向由负变正时，电流过零变正，则转子经过图4.2（d）向图4.2（a）移动，步距角为180。上述动作反复进行，电机转子就能继续转动。图4.2 单相步进电机的转动原理从以上单相步进电机的运行原理看出，单相步进电机的电磁
33、转矩只在定子电流变换时产生，故其平均转矩比两相以上的电机要小得多，响应脉冲频率也在100pps以下，故其用途受到很大限制，只能在响应脉冲频率比较低的轻载下运行。例如时钟、车用计时器（发动机计时器）、水表计数器等。3、两相步进电机两相步进电机最简单的构成为Nr=1的情况，电机结构如图4.3所示。一般两相电机定子磁极数为4的倍数，至少是4。转子为N极与S极各一个的两极转子。图4.3 两相步进电机的转动原理定子一般用硅锅片叠压制作，定子磁极数为4极，相当于一相绕组占两个极，A相两个极在空间相差180，B相两个极在空间也相差180。电流在一相绕组内正负流动（此种驱动方式称为双极性驱动），A相与B相电流
34、的相位相差90，两相绕组中矩形波电流交替流过。即两相电机的定子，在Nr=1时，空间相差90，时间上电流相差90相位差，电流与普通的同步电机相似，在定子上产生旋转磁场，转子被旋转磁场吸引，随旋转磁场同步旋转。图4.3表示两相步进电机的结构及其运行原理，从图4.3 (a)到图4.3（b)顺时针旋转90，依次图4.3（c）、图4.3（d）均旋转90，依次不断运转成为连续旋转。4、相数与特性现以两相与兰相步进电机为例详细说明步进电机的相数与特性的关系。相数与特性综合概述为：（1）高分辨率根据式（4. 1），步距角为180PNr，故相数P越大，角分辨率越高。提高分僻率、可以提高定位控制精度，改善低速失步
35、，使多相控制成为可能、并且可以改善阻尼（改善制动性能，减小停止时的超调量和制动时间）。（2）低振动图4.4表示的是两相和三相步进电机的转矩波动，相数愈多，换相的两相绕组动态转矩曲线的交点转矩值Tg与最大静态转矩Th的相对误差愈小。Tg为电机所带负载转矩的下限值，Th-TgTh为转矩波动的相对误差，相数越多，此值越小，对降低振动越有利。亦即，相数越多，电机产生的转矩波动幅值越小，频率越高产生的振动越小。图4.4 两相和三相步进电机的转矩波动（3）高转速多相步进电机的优点是能高速响应。步进电机为同步电机，绕组电流频率与转子速度成正比例，若电机高速运转，则绕组电流角频率增加，使绕组电感L产生的电抗。
36、L加大，从而降低电流，致使转矩下降。当用数千pps驱动步进电机时，电机绕组阻抗Z与直流电阻相比，电抗L将大幅增加。当电机高速运转时，如电压V一定，则电机相电流为VL。机械角速度m为=Nrm，则对相同机械角速度m的电机，电流与Nr成反比。根据式（4.1），两相Nr=50时，步距角为1.8；五相Nr=20时，步距角为1.8。当这两种步进电机以相同的转速高速旋转时，五相绕组的电流是两相的2.5倍，因为电流小则转矩小，所以五相的转矩比两相的要大。4.1.2 步进电机的基本特性步进电机的基本特性包括电机静态特性（静态特性）、电机连续运动特性（动态特性）、电机启动特性和电机制动特性（暂态特性）。（1）静态
37、转矩特性步进电机的线圈通直流电时，带负载转子的电磁转矩（与负载转矩平衡而产生的恢复电磁转矩成为静态转矩或静止转矩）与转子功率角的关系称为角度-静止转矩特性，这就是电机的静态特性（图4.5）。图4.5 角度-静止转矩特性因为转子为永磁体，产生的气隙磁密为正弦分布，所以理论上静止转矩曲线为正弦波。此角度-静止转矩特性为步进电机产生电磁转转矩能力的重要指标，最大转矩越大越好，转矩波形越接近正弦越好。实际上磁极下存在齿槽转矩，使合成转矩发生畸变，如两相电机的齿槽转矩为静止转矩角度周期的4倍谐波，加在正弦的静止转矩上，则图4.5所示的转矩为： TL=TMsin(2LM)（4.2）图中TL与TM各表示负载
38、转矩的最大静止转矩（或称把持转矩），相对应的功率角为L与M，此位移角的变化决定了步进电机位置精度，根据式（4.2）得到下式：L=2M arcsinTLTM （4.3）PM型和HB型两相步进电机的步距角S，角度改为机械角度（弧度），则变成下式：S=2Nr （4.4）上式Nr为转子齿数或极对数，故两相电机M=S。负载转矩为电磁转矩的负载（如弹簧力或重物的提升力等），电机如要正反向运动，会产生2L的角度偏差，要提高位置精度，L就要小，因此，依据式（4.3），应选择最大静止转矩TM大，步距角S小的步进电机，即高分辨率电机。根据式（4.4）可知，要使S越小，Nr越大越好。当两相步进电机电机外径为42mm
39、左右时，Nr=100齿，步距角0.9，这是实际使用中最高的分辨率。Nr变大，电抗也增加，则高转速下转矩会下降。因此，Nr=50，步距角为1.8的电机被广泛使用。（2）动态转拒特性动态转矩特性包括驱动脉冲频率-转矩特性和驱动脉冲频率-惯量特性。脉冲频率-转矩特性 脉冲频率-转矩特性是选用步进电机的重要特性。如图4.6所示，纵轴为动态转矩(dynamic torque) ，横轴取响应脉冲频率，响应脉冲频率用pps（pulse per second）作为单位，即每秒的脉冲数表示。图4.6 脉冲频率-转矩特性如图所示，步进电机的动态转矩产生包括失步转矩(pull-out-torque)和牵入转矩(pu
40、ll-in-torque)两个转矩。前者称为失步或丢步转矩，后者称为起动或牵入转矩。牵入转矩范围为从零到最大自起动脉冲频率或最大自起动频率区域。牵入曲线包围的区域称为自起动区域。电机同步进行正反转起动运行，在牵入与失步区域之间为运转区，电机在此区域内可带相应负载同步连续运行，超出范围的负载转矩将不能连续运行，出现失步现象。步进电机为开环驱动控制，其负载转矩与电磁转矩之间要有裕度，其值应为50%80%。失步转矩与牵入转矩在0pps时相等。随着控制脉冲频率的增加，带负载能力会下降。在运行开始，控制脉冲频率应缓慢增加，以便利用低速下的大转矩，提供电机在低速运行时需要的加速转矩，减少加速时间。步进电机定子线圈的电感设计的越小，最大响应脉冲频率就越大，这样就可将慢加速驱动变为快加速驱动运行。脉冲频率-惯量特性步进电机在带惯性负载快速起动时，须有足够的起动加