【
步進電機驅(qū)動器知識介紹 】
有關(guān)步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)的基本知識
有關(guān)步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的基本知識
1、系統(tǒng)常識：步進電機和步進電機驅(qū)動器構(gòu)成步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)的性能，不但取決于步進電動機自身的性能，也取決于步進電動機驅(qū)動器的優(yōu)劣。對步進電動機驅(qū)動器的研究幾乎是與步進電動機的研究同步進行的。
2、系統(tǒng)概述：步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行元件。當(dāng)步進電動機驅(qū)動器接收到一個脈沖信號（來自控制器），它就驅(qū)動步進電動機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。
3、系統(tǒng)控制：步進電機不能直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動電源（步進電動機驅(qū)動器）。控制器（脈沖信號發(fā)生器）可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。
4、用途： 步進電動機是一種控制用的特種電機，作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展（步進電動機驅(qū)動器性能提高），步進電動機的需求量與日俱增。步進電動機在運行中精度沒有積累誤差的特點，使其廣泛應(yīng)用于各種自動化控制系統(tǒng)，特別是開環(huán)控制系統(tǒng)。
5、步進電機按結(jié)構(gòu)分類：步進電動機也叫脈沖電機，包括反應(yīng)式步進電動機（VR）、永磁式步進電動機（PM）、混合式步進電動機（HB）等。
（1）反應(yīng)式步進電動機：也叫感應(yīng)式步進電機、磁滯式步進電機或磁阻式步進電機。其步進電機定子和轉(zhuǎn)子均由軟磁材料制成，定子上均勻分布的大磁極上裝有多相勵磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊均勻分布小齒和槽，通電后利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為三、四、五、六相；可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出（消耗功率較大，電流最高可達(dá)20A，步進電機驅(qū)動電壓較高）；步距角�。ㄗ钚】勺龅�10’）；斷電時無定位轉(zhuǎn)矩；電機內(nèi)阻尼較小，單步運行（指脈沖頻率很低時）震蕩時間較長；啟動和運行頻率較高。
（2）永磁式步進電動機：通常步進電機轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，軟磁材料制成的定子上有多相勵磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊沒有小齒和槽，通電后利用永磁體與定子電流磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。一般為兩相或四相；輸出轉(zhuǎn)矩�。ㄏ墓β瘦^小，電流一般小于2A，驅(qū)動電壓12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；斷電時具有一定的保持轉(zhuǎn)矩；啟動和運行頻率較低。
（3）混合式步進電動機：也叫永磁反應(yīng)式步進電機、永磁感應(yīng)式步進電機，混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。其定子和四相反應(yīng)式步進電動機沒有區(qū)別（但同一相的兩個磁極相對，且兩個磁極上繞組產(chǎn)生的N、S極性必須相同），轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜（轉(zhuǎn)子內(nèi)部為圓柱形永磁鐵，兩端外套軟磁材料，周邊有小齒和槽）。一般為兩相或四相；須供給正負(fù)脈沖信號；輸出轉(zhuǎn)矩較永磁式大（消耗功率相對較小）；步進電機步距角較永磁式�。ㄒ话銥�1.8度）；斷電時無定位轉(zhuǎn)矩；啟動和運行頻率較高；是目前發(fā)展較快的一種步進電動機。
6、步進電機按工作方式分類：可分為功率式和伺服式兩種。
（1）功率式：步進電機輸出轉(zhuǎn)矩較大，能直接帶動較大負(fù)載（一般使用反應(yīng)式、混合式步進電機）。
（2）伺服式：步進電機輸出轉(zhuǎn)矩較小，只能帶動較小負(fù)載（一般使用永磁式、混合式步進電機）。
7、步進電動機的選擇：
（1） 首先選擇類型，其次是具體的品種與型號。
（2） 反應(yīng)式、永磁式和混合式三種步進電動機的性能指標(biāo)、外形尺寸、安裝方法、脈沖電源種類和控制電路等都不同，價格差異也很大，選擇時應(yīng)綜合考慮。
（3） 具有控制集成電路的步進電動機應(yīng)優(yōu)先考慮。
8、步進電機的基本參數(shù)：
（1）步進電機固有步距角：
它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，步進電機所轉(zhuǎn)動的角度。步進電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A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°），這個步進電機步距角可以稱之為‘電機固有步距角’，它不一定是步進電機工作時的實際步距角，實際步進電機步距角和步進電機驅(qū)動器有關(guān)。
（2）步進電機相數(shù)：
是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電動機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°
。步進電動機增加相數(shù)能提高性能，但步進電機的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動電源都會更復(fù)雜，成本也會增加。
（3）步進電機保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING
TORQUE）：也叫最大靜轉(zhuǎn)矩，是在額定靜態(tài)電流下施加在已通電的步進電動機轉(zhuǎn)軸上而不產(chǎn)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)的最大轉(zhuǎn)矩。它是步進電動機最重要的參數(shù)之一，通常步進電動機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電動機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電動機。
（4）步進電機步距精度：可以用定位誤差來表示，也可以用步距角誤差來表示。
（5）步進電機矩角特性：步進電動機的轉(zhuǎn)子離開平衡位置后所具有的恢復(fù)轉(zhuǎn)矩，隨著轉(zhuǎn)角的偏移而變化。步進電動機靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系稱為矩角特性。
（6）步進電機靜態(tài)溫升：指步進電機靜止不動時，按規(guī)定的運行方式中最多的相數(shù)通以額定靜態(tài)電流，達(dá)到穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)時的溫升。
（7）步進電機動態(tài)溫升：步進電機在某一頻率下空載運行，按規(guī)定的運行時間進行工作，運行時間結(jié)束后電機所達(dá)到的溫升叫動態(tài)溫升。
（8）步進電機轉(zhuǎn)矩特性：它表示步進電機轉(zhuǎn)矩和單相通電時勵磁電流的關(guān)系。
（9）步進電機啟動矩頻特性：啟動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為啟動矩頻特性。
（10）步進電機運行矩頻特性/慣頻特性：略
（11）步進電機升降頻時間：指步進電機從啟動頻率升到最高運行頻率或從最高運行頻率降到啟動頻率所需的時間。
（12）步進電機DETENT
TORQUE：是指步進電動機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易產(chǎn)生誤解；反應(yīng)式步進電動機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT
TORQUE。
9、步進電機的一些特點：
（1）步進電動機沒有積累誤差：一般步進電動機的精度為實際步距角的3-5%，且不累積。
（2）步進電動機在工作時，脈沖信號按一定順序輪流加到各相繞組上（由驅(qū)動器內(nèi)的環(huán)形分配器控制繞組通斷電的方式）。
（3）即使是同一臺步進電動機，在使用不同驅(qū)動方案時，其矩頻特性也相差很大。
（4）步進電動機與其它電動機不同，其標(biāo)稱額定電壓和額定電流只是參考值；又因為步進電動機是以脈沖方式供電，電源電壓是其最高電壓，而不是平均電壓，所以，步進電動機可以超出其額定值范圍工作。但選擇時不應(yīng)偏離額定值太遠(yuǎn)。
（5）步進電動機外表允許的最高溫度： 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進電動機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
（6）步進電動機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降：當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，步進電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。
（7）步進電動機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定頻率就無法啟動,并伴有嘯叫聲。
步進電動機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電動機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。
（8）四相混合式步進電機一般由兩相驅(qū)動器來驅(qū)動，因此，連接時可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機轉(zhuǎn)速較低的場合使用，此時需要的驅(qū)動器輸出電流為電機相電流的0.7倍，因而電機發(fā)熱�。徊⒙�(lián)接法一般在電機轉(zhuǎn)速較高的場合使用（又稱高速接法），所需要的驅(qū)動器輸出電流為電機相電流的1.4倍，因而電機發(fā)熱較大。
（9）混合式步進電機驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍 （比如IM483的供電電壓為12～48VDC），電源電壓通常根據(jù)電機的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動器。
（10）供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取I 的1.1～1.3倍；如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取I
的1.5～2.0倍。
（11）當(dāng)脫機信號FREE為低電平時，驅(qū)動器輸出到步進電機的電流被切斷，步進電機轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)
（脫機狀態(tài)）。在有些自動化設(shè)備中，如果在驅(qū)動器不斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)動電機軸（手動方式），就可以將FREE信號置低，使電機脫機，進行手動操作或調(diào)節(jié)。手動完成后，再將FREE信號置高，以繼續(xù)自動控制。
（12）用簡單的方法調(diào)整兩相步進電機通電后的轉(zhuǎn)動方向，只需將步進電機與驅(qū)動器接線的A+和A-（或者B+和B-）對調(diào)即可。
10、步進電動機驅(qū)動器的一些特點：
（1）構(gòu)成步進電動機驅(qū)動器系統(tǒng)的專用集成電路：
A 脈沖分配器集成電路：如PMM8713（三/四相）、PMM8723（四相）、PMM8714（五相）等。
B 包含脈沖分配器和電流斬波的控制器集成電路：如SGS公司的L297（四相）、L6506（四相）等。
C 只含功率驅(qū)動（或包含電流控制、保護電路）的驅(qū)動器集成電路：如MTD1110（四相斬波驅(qū)動）和MTD2001（兩相、H橋、斬波驅(qū)動）。
D 將脈沖分配器、功率驅(qū)動、電流控制和保護電路都包括在內(nèi)的步進電機驅(qū)動控制器集成電路，如SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。
（2）“步進電機細(xì)分驅(qū)動”概述：
概念：將“步進電機固有步距角”細(xì)分成若干小步的驅(qū)動方法，稱為細(xì)分步進電機驅(qū)動，細(xì)分是通過步進電機驅(qū)動器精確控制步進電機的相電流實現(xiàn)的，與電機本身無關(guān)。其原理是，讓步進電機定子通電相電流并不一次升到位，而斷電相電流并不一次降為0（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級近似階梯波），則步進電機定子繞組電流所產(chǎn)生的磁場合力，會使轉(zhuǎn)子有N個新的平衡位置（形成N個步距角）。
最新技術(shù)發(fā)展：國內(nèi)外對細(xì)分步進電機驅(qū)動技術(shù)的研究十分活躍，高性能的細(xì)分驅(qū)動電路，可以細(xì)分到上千甚至任意細(xì)分。目前已經(jīng)能夠做到通過復(fù)雜的計算使細(xì)分后的步距角均勻一致，大大提高了步進電動機的脈沖分辨率，減小或消除了震蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動，使步進電動機更具有“類伺服”特性。
對實際步距角的作用：在沒有細(xì)分步進電機驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己對步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動器，則用戶只需在驅(qū)動器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以大幅度改變實際步距角，步進電機的‘相數(shù)’對改變實際步距角的作用幾乎可以忽略不計。
采用細(xì)分步進電機驅(qū)動器技術(shù)與步進電動機精度提高的關(guān)系：步進電動機的細(xì)分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)，其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高步進電機的運轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個附帶功能。細(xì)分后電機運轉(zhuǎn)時對每一個脈沖的分辨率提高了，但運轉(zhuǎn)精度能否達(dá)到或接近脈沖分辨率還取決于細(xì)分驅(qū)動器的細(xì)分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細(xì)分驅(qū)動器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制。
真正的細(xì)分對步進電機驅(qū)動器要有相當(dāng)高的技術(shù)要求和工藝要求，成本亦會較高。國內(nèi)有一些驅(qū)動器采用對電機相電流進行“平滑”處理來取代細(xì)分，屬于“假細(xì)分”，“平滑”并不產(chǎn)生微步，會引起步進電機力矩的下降。真正的步進電機細(xì)分控制不但不會引起步進電機力矩的下降，相反，步進電機力矩會有所增加。
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