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步进电机的动态特性研究
摘要
工作的目的是检查步进电机的动态特性。 调查结果将用于评估步进电机作为执行器周期性可变运动发生器的可用性。 周期性可变运动的机械发生器的实例是齿轮，链和齿轮传动。 通过适当设计和制造的齿轮可以实现工件的复杂不平坦。 已经通过应用多功能试验台进行了调查，该试验台由一组具有扭矩传感器的轴组成。 负载已经通过磁流变制动器施加。
- 引言
现有结构的发展和对具有运动学和动态特性没有典型特征的新结构的研究的需要迫使需要由未知或未使用的变速器替代现有的旋转运动或摆动运动。 这种解决方案的例子可以是周期性的可变运动发生器，称为不均匀传输[5-7]。
驱动轴在恒定速度下的从动轴的周期性变速是这些变速器的特征。 这种解决方案允许在一个完整的旋转期间获得可变的传动比。 这种解决方案的优点是获得运动和动态特征的恒定和重复的变化，而不管操作环境如何。
这个概念的缺点在于需要设计和制造具有不同几何特征的车轮（齿轮，滑轮，链条）。 同时，不可能获得传动比的其他特性。替代解决方案可能是应用步进电机来产生周期性变化的运动特征的尝试。 在本文中提出了步进电机作为周期性运动发生器的可能性。
- 研究目的
研究的目的是分析步进电动机作为周期性变动运动发生器的应用的动态特征，以及应用这种变速器研究带齿带传动带的振动分析和参数共振的可能性[ 1-4,9]。可变运动可调发电机的应用将允许模拟使用不均匀运动来破碎，研磨，分离或运输产品的加工机器的操作。
- 研究测试平台
试验是在专为皮带传动研究设计的通用试验台上进行的。 测试台是波兹南工业大学机械设计基础主任传输实验室设备的一部分。它也适用于步进电机的运动学和动态特性的研究（图1）。 测试台的主要元件是两相步进电机WOBIT 110BYGH601，由控制器Ledshine Mikrostep Drive ND2282PbF控制。 电机控制信号由软件平台ARDUINO UNO生成。 使用带有磁流变流体的制动器RH-90-4 / 20装载电机。 使用由机器设计基础主席团队设计的通用扭矩计进行扭矩测量。应用编码器MEGATRON MOB 2500/5 / BZ / N来记录轴的角速度的暂时变化。 扭矩和角速度的测量结果由原始计算机软件记录，该计算机软件是测试台的组成部分。
图1.测试台：1 - 步进电机，2 - 扭矩计，3 - 带磁流变流体的制动器，4 - 电机控制器，5 - 编码器。
- 研究方法
步进电机研究分两个阶段进行。 在第一阶段时间和马达通过制动器直到完全停止的动态加载期间的最大扭矩进行了研究。 还研究了在断开负载后获得给定速度的时间。对于电动机的不同转速进行了从极低转速到极高转速的调查。在研究中，步进电动机的不同类型的控制是全步骤，半步骤和微步骤：1/4，1/16，1/128。 在第二阶段期间，周期性可变信号由模块ARDUINO UNO生成，并且无负载并且由制动器产生的恒定负载进行记录。所获得特征的瞬时变化的配准允许估计产生的转矩和转速的振荡。
- 研究结果
步进电机停止转动时加负载状态和接下来步进电机加未负载状态时的动态特性表现为扭矩的变化特性（图2）。速度和转矩是两个相互依赖并且对步进电机的动态特性有影响的参数（图3、图4）。
图2 步进电机动态研究时的扭矩特性，以50 rpm的速度进行全步控制：a）无负载，b）步进电机的负载直到停止，c）电机停止，d）启动步进电机
图3 不同步进电机控制下转速的最大转矩特性
图4 时间特点a）停止电机，b）启动电机
不同类型的电动机控制和转速的测试表明存在振动-如图5所示。
图5 转速特性为20,25,50 ... 770 rpm，适用于不同类型
步进电机控制
给定周期性可变信号的转速和转矩特性如下图6-8所示。
图6 时间函数的步进电机的转速特性（理论值，实际负载，无负载）
图7 无负载传动时间的扭矩特性
图8 负载传动时间的转矩特性
- 结果分析
负载扭矩的步进电机的停止和启动时间与获得的最大转矩，转速和阶梯控制的类型无关。已经观察到电动机停止期间扭矩的显着振荡（图2）。 旋转速度越高，扭矩变得越低，直到电机自动停止为零（图3）。步进电机在微步骤1/128的控制过程中的操作允许为不同类型的控制实现最低的最大转速。尽管在全步和微步1/4的控制期间达到最高速度的最高值。 Microstep 1/16控制允许实现比半步控制更高的最大速度。 最大转速与步进控制类型之间缺乏关系可能是由步进电机的温度变化引起的，该步进电机的温度不受监控，并可影响该参数。 增加和减小最大扭矩的时间取决于获得的最大扭矩值，控制步骤的类型和电机转速。电机转速越高，减小最大扭矩的时间越短（图4）。步进电机按照控制信号指定的方向移动，接下来以最大保持力矩停止。由于步进电机的步进操作，低速时会发生一些振动。 其出现原因是转子和轴负载的惯性。电机超过设定位置，然后返回到所需位置——需要一段时间才能达到所需的位置。对于给定的机械系统频率，步进电机也具有不同的振动特性。微步骤分段导致分辨率提高，这应该增加工作的平滑度。微步的应用是由于输入能量的脉动而导致输入能量降低的原因——这导致电机谐振[8]。最大转速也是共振增加的原因。 测试还表明，电动机的特征在于其可操作的相对有限的转速范围（图5）。电机温度越高，范围越小。在测试期间温度改变了，但没有被监测。在周期性可变运动的研究期间获得的转速和转矩不依赖于电机负载，并表示给定的信号（负载电机约99.5％，无负载电机为99％）。然而，这些结果包括比在相同旋转速度范围内具有恒定速度的步进电机的结果更高的振荡（图6）。 所获得的转矩特性曲线在最大扭矩附近变形，因为惯性力作用在转子上并导致过冲和运动扰动。 在恒定负载下周期性变动工作时，电动机的研究显示出转矩信号的“漂移”。 这个事实的原因是由制动器产生的负载的增加——其中磁流变流体的加热导致电阻增加。
- 总结
实验研究表明，在定期传输可变信号时，应考虑以下事项：步进电机的最小和最大转速，步进电机运行的共振频率，电机的启停时间，产生的转矩值，环境条件（工作温度）。步进电机在周期性可变运动期间扭矩振荡的增加值可能会显着干扰其他已注册的振动声信号。 应该能预料到步进电机的谐振将不允许测量绞合线传输中的cogbelt的参数共振。 在评估实现的最大转速和转矩的情况下，还应考虑在测试期间未监测的电机温度的影响。将进一步研究周期性可变动态控制信号对获得的传动运动和动态特征特征的影响。
参考文献
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[8] W. Ober,步进驱动器理论，WOBIT，2017年6月21日，http://www.wobit.com.pl
[9] J. Osiński:分析参量振荡电路拉杆经受恒定载荷具有横向渐近法和有限元法，理论与应用力学2（23），1985。
光电传感器的应用与发展
摘要
目前，光电传感器的应用越来越广泛，它也促进了光电传感器的发展。光电传感器结构简单并且多样化。它具有精度高，响应快，非接触等优点。在本文中，我们分析了光电传感器原理，介绍了光电的分类，然后重点介绍光电传感器的应用和使用光电传感器的原理，分析了光电传感器的当前和未来的发展。
关键字：光电传感器，光电传感器的应用，光电传感器的发展
- 引言
光电传感器是使用电子和光学元件作为检测元件的传感器。光电检测具有精度高，响应快，非接触等优点。传感器结构简单，形式灵活多样。因此，光电传感器广泛应用于控制和测试领域。
它可以用于检测能导致光量变化的非电变量，如光强度，辐射温度，气体成分。它也可以使用光透射，遮挡，反射，干扰等
测量各种物理量，如物体大小，位移，速度，温度等。所以它是一个非常重要和敏感的设备，具有非常广泛的应用。使用光电传感器时，不直接与测量对象接触，光束质量接近零，在测量中没有摩擦，对被测物体几乎没有压力。因此，光电传感器在许多应用中比其他传感器具有明显的优势。然而，其缺点是在一些应用中光学器件和电子器件更昂贵，并且测量环境条件要求更高。近年来，新的光电器件正在出现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用创造了新的领域。
- 光电传感器原理
光电传感器使用光电元件作为传感器转换装置。光电传感器的原理是通过光信号反映测量对象的变化，然后通过光电子部件将光信号转换为电信号。光电传感器通常由光源，光学接口和光学元件组成。光电传感器的工作过程如图1所示
输出
图1 光电传感器的工作过程
光电器件的作用是将光信号转换成电信号，这是基于光电效应。光电效应是一种物理现象，光照在某些物质上，导致材料的电学特性发生变化。它可以分为外部和内部光电效应。
外部光电效应是物体的电子逃逸物体的物理现象，并在光线的作用下发射出去。光子是量子“粒子”的形式来描述可见光波。光子能量是hv，h是普朗克常数，v是光频率。光子通量对应于光强度。光子通量对应于光强度。爱因斯坦方程描述了外部光电效应：hv=1/2*mv0^2 其中m是电子质量，v0是电子逃逸速度。 当光子能量等于或大于功函数，可以产生外部光电效应。所以每个物体对光电阈值都有相应的影响，光的频率，被称为频率的红色限制。 对于超过入射光频率的红色限制，外源光电流与光强成正比。
当光照在物体上时，会导致电阻变化或产生称为内部光电效应的。 内部光电效应分为光伏效应和光电效应。 光伏效应是使物体在光的影响下具有一定的力方向的现象。基于效应的光电子器件是光敏二极管，晶体管，光伏电池; 光电效应是在光的影响下，电子吸收从过渡的键合状态到自由状态的光子能量，这导致材料的导电性变化。基于这种效果的光电器件是光敏电阻等。
- 光电传感器的分类
光电传感器分类有所不同。 基于外部光电效应的光电传感器件是光电管和光电倍增管。基于光电导效应的光电传感器是光敏电阻器。基于屏障效应的光电传感器是基于光电二极管和光电晶体管。基于光电效应反射的光电传感器是反向光电二极管。 光电传感器可以通过信号形式分为模拟光学传感器和数字光学传感器。 光电传感器还包括光纤传感器，固体图像传感器等。 图2显示了常见的光电传感器。
图2 常见的光电传感器
- 光电传感器的应用
随着技术的发展，光电传感器的使用越来越多。 光电传感器在日常生活，工业生产和信息技术中的应用越来越多。
4.1光源是测量对象的应用
光照度E的单位是光度测量中通常使用的单位之一，它表示被照射物体的曝光程度，可用于测量照度计。
- 红外辐射温度计
红外辐射温度计在非接触式温度测量中有很多应用。 红外辐射温度计可用于高温
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