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雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用,但步進電機并不能像普通的直流電機,交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事,它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。

步進電機作為執(zhí)行元件,是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展,步進電機的需求量與日俱增,在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。

步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量,從而達到準確定位的目的；同時您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,從而達到調(diào)速的目的。

三相步進電機專用變頻器特點：

低頻轉(zhuǎn)矩輸出180% ,低頻運行特性良好

輸出頻率最大600Hz,可控制高速電機

全方位的偵測保護功能(過壓、欠壓、過載)瞬間停電再起動

加速、減速、動轉(zhuǎn)中失速防止等保護功能

電機動態(tài)參數(shù)自動識別功能,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性

高速停機時響應(yīng)快

豐富靈活的輸入、輸出接口和控制方式,通用性強

采用SMT全貼裝生產(chǎn)及三防漆處理工藝,產(chǎn)品穩(wěn)定度高

全系列采用最新西門子igbt功率器件,確保品質(zhì)的高質(zhì)量

反應(yīng)式步進電機

由于反應(yīng)式步進電機工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進電機原理。

1、結(jié)構(gòu)： 電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒,定子齒有三個勵磁繞阻,其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。 0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示）,即A與齒1相對齊,B與齒2向右錯開1/3て,C與齒3向右錯開2/3て,A'與齒5相對齊,（A'就是A,齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖：

2、旋轉(zhuǎn)： 如A相通電,B,C相不通電時,由于磁場作用,齒1與A對齊,（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如B相通電,A,C相不通電時,齒2應(yīng)與B對齊,此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て,此時齒3與C偏移為1/3て,齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。 如C相通電,A,B相不通電,齒3應(yīng)與C對齊,此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て,此時齒4與A偏移為1/3て對齊。 如A相通電,B,C相不通電,齒4與A對齊,轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て 這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài),齒4（即齒1前一齒）移到A相,電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距,如果不斷地按A,B,C,A……通電,電機就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A,C,B,A……通電,電機就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過,出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài),這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合,使其1/3て變?yōu)?/12て,1/24て,這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻,其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機,出于成本等多方面考慮,市場上一般以二、三、四、五相為多。

3、力矩： 電機一旦通電,在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量Ф）當轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力 F與（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br為磁密,S為導(dǎo)磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長度,D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=N·I/R N·I為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。 力矩=力*半徑 力矩與電機有效體積*安匝數(shù)*磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)） 因此,電機有效體積越大,勵磁安匝數(shù)越大,定轉(zhuǎn)子間氣隙越小,電機力矩越大,反之亦然。

感應(yīng)子式步進電機

一、特點

感應(yīng)子式與傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比,結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體,以提供軟磁材料的工作點,而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能,因此該電機效率高,電流小,發(fā)熱低。因永磁體的存在,該電機具有較強的反電勢,其自身阻尼作用比較好,使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 感應(yīng)子式某種程度上可以看作是低速同步的電機。一個四相電機可以作四相運行,也可以作二相運行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動）,而反應(yīng)式電機則不能如此。例如：四相,八相運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C=,D=. 一個二相電機的內(nèi)部繞組與四相電機完全一致,小功率電機一般直接接為二相,而功率大一點的電機,為了方便使用,靈活改變電機的動態(tài)特點,往往將其外部接線為八根引線（四相）,這樣使用時,既可以作四相電機使用,可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。

二、分類

感應(yīng)子式電機以相數(shù)可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號（電機外徑）可分為：42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進電機代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標準）,而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標準。

三、步進電機的靜態(tài)指標術(shù)語

1、相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。

2、拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示,或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù),以四相電機為例,有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

3、步距角：對應(yīng)一個脈沖信號,電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運行拍數(shù)）,以常規(guī)二、四相,轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步）,八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。

4、定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下,電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）

5、靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下,電機不作旋轉(zhuǎn)運動時,電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積的標準,與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比,與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān),但過分采用減小氣隙,增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的,這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。

四、動態(tài)指標及術(shù)語：

1、步距角精度： 步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同,四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi),八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。

2、失步： 電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù),不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。

3、失調(diào)角： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度,電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角,由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差,采用細分驅(qū)動是不能解決的。

4、最大空載起動頻率： 電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下,在不加負載的情況下,能夠直接起動的最大頻率。

5、最大空載的運行頻率： 電機在某種驅(qū)動形式,電壓及額定電流下,電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。

6、運行矩頻特性： 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性,這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的,也是電機選擇的根本依據(jù)。如下圖所示： 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。 電機一旦選定,電機的靜力矩確定,而動態(tài)力矩卻不然,電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流）,平均電流越大,電機輸出力矩越大,即電機的頻率特性越硬。 如下圖所示： 其中,曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低,曲線與負載的交點為負載的最大速度點。 要使平均電流大,盡可能提高驅(qū)動電壓,使采用小電感大電流的電機。

7、電機的共振點：步進電機均有固定的共振區(qū)域,二、四相感應(yīng)子式的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pPS左右（步距角為0.9度）,電機驅(qū)動電壓越高,電機電流越大,負載越輕,電機體積越小,則共振區(qū)向上偏移,反之亦然,為使電機輸出電矩大,不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低,一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。

8、電機正反轉(zhuǎn)控制： 當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或()時為正轉(zhuǎn),通電時序為DA-CD-BC-AB或()時為反轉(zhuǎn)。

它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號,電機所轉(zhuǎn)動的角度。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°）,這個步距角可以稱之為‘電機固有步距角’,它不一定是電機實際工作時的真正步距角,真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。

通常步進電機步距角β的一般計算按下式計算。

β=360°/（Z·m·K）

式中 β―步進電機的步距角；

Z―轉(zhuǎn)子齒數(shù)；

m―步進電動機的相數(shù)；

K―控制系數(shù),是拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)

步進電機的相數(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° 。在沒有細分驅(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步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器,則‘相數(shù)’將變得沒有意義,用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù),就可以改變步距角。

轉(zhuǎn)矩

1、HOLDING TORQUE（保持轉(zhuǎn)矩）

是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時,定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一,通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電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的步進電機。

2、DETENT TORQUE（無激磁保持轉(zhuǎn)矩）：

是指步進電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,容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料,所以它沒有DETENT TORQUE。

一、專業(yè)化、特殊化、個性化

隨著電機行業(yè)的不斷發(fā)展,電機產(chǎn)品的外延和內(nèi)涵也不斷拓展,電機產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于冶金、電力、石化、煤炭、礦山、建材、造紙、市政、水利、造船、港口裝卸等各個領(lǐng)域。電機的通用性逐漸向?qū)Ｓ眯苑较虬l(fā)展,打破了過去同樣的電機分別用于不同負載類型、不同使用場合的局面。電機正向?qū)Ｓ眯�、特殊性、個性化方向發(fā)展。國內(nèi)很多企業(yè)也在向?qū)�業(yè)化企業(yè)轉(zhuǎn)型,如煤礦電機廠、防爆電機廠、微特電機廠等,而企業(yè)是否具有非標準化定制的適應(yīng)能力,是衡量一個企業(yè)未來發(fā)展?jié)摿Φ闹匾�方面�?/P>

二、產(chǎn)品單機容量不斷增大

隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的逐步增大,與之相配套的生產(chǎn)設(shè)備也向著集成化、大型化、規(guī)�；�方向發(fā)展,拖動大型機械設(shè)備的電動機功率也隨之越來越大,高電壓等級、大容量、高性能電機成為最重要的方向。對于各種軋機、電站輔機、高爐風(fēng)機、鐵道牽引、軌道交通、艦船動力、排灌用泵等傳動用的大型交、直流電動機,單機容量不斷擴大,品種也不斷增多。這也促使電機生產(chǎn)企業(yè)紛紛向高壓大中型電機行業(yè)靠攏,以提高自身競爭力。

三、資源向優(yōu)勢企業(yè)集中

技術(shù)水平?jīng)Q定利潤水平和競爭者數(shù)量從整個步進電機行業(yè)來講,平均利潤水平呈U形分布,競爭者數(shù)量呈倒U家用電器相關(guān)研究報告形的分布。目前,電機行業(yè)市場化程度高,電機企業(yè)數(shù)量眾多,整個行業(yè)處于整合、優(yōu)化的變革過程當中。微型電機、大型電機(包括部分特種電機)由于技術(shù)難度高、前期投入較大、技術(shù)門檻較高,處于整個U型曲線的最高端,平均利潤水平較高、競爭者數(shù)量較少;小功率電機、小中型電機處于整個U型曲線的中間,競爭者數(shù)量較多,平均利潤水平較低。

1、一般步進電機的精度誤差為步距角的3-5%,且不累積。

2、步進電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,有的甚至高達攝氏200度以上,所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

3、步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。

當步進電機轉(zhuǎn)動時,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。

4、步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。

步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率,即步進電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)。在有負載的情況下,啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(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）。

步進電動機以其顯著的特點,在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高,步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

主要特性

1、步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn), 驅(qū)動信號必須為脈沖信號,沒有脈沖的時候, 步進電機靜止, 如

果加入適當?shù)拿}沖信號, 就會以一定的角度（稱為步距角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。

2、三相步進電機的步進角度為7.5 度,一圈360 度, 需要48 個脈沖完成。

3、步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。

4、改變脈沖的順序, 可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。

因此,目前打印機,繪圖儀,機器人,等等設(shè)備都以步進電機為動力核心。

驅(qū)動器的特點

1、構(gòu)成步進電機驅(qū)動器系統(tǒng)的專用集成電路：

A、脈沖分配器集成電路：如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714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、L6506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：如日本新電元工業(yè)公司的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)的驅(qū)動控制器集成電路,如東芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。

2、“細分驅(qū)動”概述：

將“電機固有步距角”細分成若干小步的驅(qū)動方法,稱為細分驅(qū)動,細分是通過驅(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）。

一是過載性好。其轉(zhuǎn)速不受負載大小的影響,不像普通電機,當負載加大時就會出現(xiàn)速度下降的情況,步進電機使用時對速度和位置都有嚴格要求。

二是控制方便。步進電機是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的,數(shù)字特征比較明顯。

三是整機結(jié)構(gòu)簡單。傳統(tǒng)的機械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,調(diào)整困難,使用步進電機后,使得整機的結(jié)構(gòu)變得簡單和緊湊。 測速電機是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓,并傳遞到輸入端作為反饋信號。測速電機為一種輔助型電機,在普通直流電機的尾端安裝測速電機,通過測速電機所產(chǎn)生的電壓反饋給直流電源,來達到控制直流電機轉(zhuǎn)速的目的。

本模塊可分為如下3個部分：

· 單片機系統(tǒng)：控制步進電動機；

· 外圍電路：PIC單片機和步進電動機的接口電路；

· PIC程序：編寫單片機控制步進電功機的接口程序,實現(xiàn)三角波信號的輸出功能。

1、步進電動機與單片機的接口。

單片機是性能極佳的控制處理器,在控制步進電機工作時,接口部件必須要有下列功能。

①電壓隔離功能。

單片機工作在5V,而步進電機是工作在幾十V,甚至更高。一旦步進電機的電壓串到單片機中,就會損壞單片機；步進電機的信號會干擾單片機,也可能導(dǎo)致系統(tǒng)工作失誤,因此接口器件必須有隔離功能。

②信息傳遞功能。

接口部件應(yīng)能夠把單片機的控制信息傳遞給步進電機回路,產(chǎn)生工作所需的控制信息,對應(yīng)于不同的工作方式,接口部件應(yīng)能產(chǎn)生相應(yīng)的工作控制波形。

③產(chǎn)生所需的不同頻率。

為了使步進電機以不同的速度工作,以適應(yīng)不同的目的,接口部件應(yīng)能產(chǎn)生不同的工作頻率。

2、電壓隔離接口。

電壓隔離接口專用于隔離低壓部分的單片機和高壓部分的步進電機驅(qū)動電路,以保證它們的正常工作。

電壓隔離接口可以用脈沖變壓器或光電隔離器,現(xiàn)在基本上是采用光電隔離器。單片機輸出信號可以通過TTL門電路或者直接送到晶體管的基極,再由晶體管驅(qū)動光電耦合器件的發(fā)光二極管。

發(fā)光二極管的光照到光電耦合器件內(nèi)部的光敏管上,轉(zhuǎn)換成電信號,再去驅(qū)動步進電機的功率放大電路,電流放大接口是步進電機功放電路的前置放大電路。它的作用是把光電隔離器的輸出信號進行電流放大,以便向功放電路提供足夠大的驅(qū)動電流。

3、工作方式接口和頻率發(fā)生器。

用單片機控制步進電動機,需要在輸入輸出接口上用3條I/0線對步進電動機進行控制,這時,單片機用I/O口的RA0、RAI、RA2控制步進電動機的三相。

一般步進電機的精度為步進角的3-5%,且不累積。

外表溫度允許值

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130攝氏度以上,有的甚至高達200攝氏度以上,所以步進電機外表溫度在80-90攝氏度完全正常。

力矩與轉(zhuǎn)速成反比

當步進電機轉(zhuǎn)動時,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。

為什么步進電機脈沖頻率高于一定值就無法啟動　　

步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率,即步進電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)。在有負載的情況下,啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(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）。

減輕振動和噪聲的方法

步進電機低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點,一般可采用以下方案來克服：

A、如步進電機正好工作在共振區(qū),可通過改變減速比等機械傳動避開共振區(qū)；

B、采用帶有細分功能的驅(qū)動器,這是最常用的、最簡便的方法；

C、換成步距角更小的步進電機,如三相或五相步進電機；

D、換成交流伺服電機,幾乎可以完全克服震動和噪聲,但成本較高；

E、在電機軸上加磁性阻尼器,市場上已有這種產(chǎn)品,但機械結(jié)構(gòu)改變較大。

驅(qū)動器的細分數(shù)與精度

步進電機的細分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請參考有關(guān)文獻）,其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動,提高電機的運轉(zhuǎn)精度只是細分技術(shù)的一個附帶功能。比如對于步進角為1.8°的兩相混合式步進電機,如果細分驅(qū)動器的細分數(shù)設(shè)置為4,那么電機的運轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖0.45°,電機的精度能否達到或接近0.45°,還取決于細分驅(qū)動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅(qū)動器精度可能差別很大；細分數(shù)越大精度越難控制。

串聯(lián)接法和并聯(lián)接法

四相混合式步進電機與驅(qū)動器的串聯(lián)接法和并聯(lián)接法的區(qū)別：

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。

驅(qū)動器電源的確定

A.電壓的確定

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。

B.電流的確定

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。

脫機信號FREE使用

混合式步進電機驅(qū)動器當脫機信號FREE為低電平時,驅(qū)動器輸出到電機的電流被切斷,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。

兩相步進電機轉(zhuǎn)向變換

只需將電機與驅(qū)動器接線的A+和A-（或者B+和B-）對調(diào)即可。

四個繞組引出四相(相A1相A2相B1相B2)和兩個公共線(接到電源的正極)。把繞組的某一相接到電源的地線。這樣該繞組就會受到激勵。我們采用四相八拍的控制方式,即1相與2相交替導(dǎo)通,這樣可提高分辨率。每一步可轉(zhuǎn)0.9°控制電機正轉(zhuǎn)的勵磁順序如下表：

若要求電機反轉(zhuǎn),將勵磁信號倒過來傳送即可。

控制方案

控制系統(tǒng)的框圖如下

本方案采用AT89S51作為主控制器件。它與AT89C51兼容,同時還增加了SPI接口和看門狗模塊,這不但使程序調(diào)試變得方便而且也使程序運行更加穩(wěn)定。在方案中該單片機主要實現(xiàn)現(xiàn)場信號的采集并計算出步進電機運轉(zhuǎn)的方向和速度信息。然后傳送給CPLD。

CPLD采用EPM7128SLC84-15,EPM7128是可編程的大規(guī)模邏輯器件,為ALTERA公司的MAX7000系列產(chǎn)品。具有高阻抗、電可擦等特點,可用單元為2500個,工作電壓為+5V。CPLD接收到單片機發(fā)送過來的信息后,轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的控制信號輸出給步進電機驅(qū)動器。驅(qū)動器則把控制信號處理后輸入電機繞組,實現(xiàn)了電機的有效控制。

電機驅(qū)動器硬件結(jié)構(gòu)

電機的驅(qū)動器采用如下電路：

其中R1-R8的電阻值為320Ω。R9-R12的電阻值為2.2KΩ。Q1-Q4為達林頓管D401A,Q5-Q8為S8550。J1、J2與步進電機的六條引線相連。

1、電機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；

2、電機停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當繞組激磁時）；

3、由于每步的精度在百分之三到百分之五,而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復(fù)性；

4、 優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；

5、由于沒有電刷,可靠性較高,因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命；

6、電機的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定,因而可以采用開環(huán)控制,這使得電機的結(jié)構(gòu)可以比較簡單而且控制成本；

7、僅僅將負載直接連接到電機的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。

8、由于速度正比于脈沖頻率,因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。

缺點

1、如果控制不當容易產(chǎn)生共振；

2、難以運轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。

3、難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩

4、在體積重量方面沒有優(yōu)勢,能源利用率低。

5、超過負載時會破壞同步,高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。

直接接到工頻交流或直流電源上工作,而必須使用專用的步進電動機驅(qū)動器,如圖2所示,它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成。圖中點劃線所包圍的二個單元可以用微機控制來實現(xiàn)。驅(qū)動單元與步進電動機直接耦合,也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口,這里予以簡單介紹。

1、單電壓功率驅(qū)動

實用

電路如圖3所示。在電機繞組回路中串有電阻Rs,使電機回路

時間常數(shù)減小,高頻時電機能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩,還能緩解電機的低頻共振現(xiàn)象,但它引起附加的損耗。一般情況下,簡單單電壓驅(qū)動線路中,Rs是不可缺少的。Rs對步進電動機單步響應(yīng)的改善如圖3(b)。

2、雙電壓功率驅(qū)動

雙電壓驅(qū)動的功率接口如圖4所示。雙電壓驅(qū)動的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓UL驅(qū)動,而在高速（高頻段）時用較高的電壓UH驅(qū)動。這種功率接口需要兩個控制信號,Uh為高壓有效控制信號,U為脈沖調(diào)寬驅(qū)動控制信號。圖中,功率管TH和二極管DL構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當Uh低電平,TH關(guān)斷,DL正偏置,低電壓UL對繞組供電。反之Uh高電平,TH導(dǎo)通,DL反偏,高電壓UH對繞組供電。這種電路可使電機在高頻段也有較大出力,而靜止鎖定時功耗減小。

3、高低壓功率驅(qū)動

高低壓功率驅(qū)動接口如圖5所示。高低壓驅(qū)動的設(shè)計思想是,不論電機

工作頻率如何,均利用高電壓UH供電來提高導(dǎo)通相繞組的電流前沿,而在前沿過后,用低電壓UL來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動器的高頻性能,而且不必再串聯(lián)電阻Rs,消除了附加損耗。高低壓驅(qū)動功率接口也有兩個輸入控制信號Uh和Ul,它們應(yīng)保持同步,且前沿在同一時刻跳變,如圖5所示。圖中,高壓管VTH的導(dǎo)通時間tl不能太大,也不能太小,太大時,電機電流過載；太小時,動態(tài)性能改善不明顯。一般可取1~3ms。（當這個數(shù)值與電機的電氣時間常數(shù)相當時比較合適）。

4、斬波恒流功率驅(qū)動

恒流驅(qū)動的設(shè)計思想是,設(shè)法使導(dǎo)通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時均保持固定數(shù)值。使電機具有

恒轉(zhuǎn)矩輸出特性。這是目前使用較多、效果較好的一種功率接口。圖6是斬波恒流功率接口原理圖。圖中R是一個用于電流采樣的小阻值電阻,稱為采樣電阻。當電流不大時,VT1和VT2同時受控于走步脈沖,當電流超過恒流給定的數(shù)值,VT2被封鎖,電源U被切除。由于電機繞組具有較大電感,此時靠二極管VD續(xù)流,維持繞組電流,電機靠消耗電感中的磁場能量產(chǎn)生出力。此時電流將按指數(shù)曲線衰減,同樣電流采樣值將減小。當電流小于恒流給定的數(shù)值,VT2導(dǎo)通,電源再次接通。如此反復(fù),電機繞組電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值上,形成小小的鋸齒波,如圖6所示。

斬波恒流功率驅(qū)動接口也有兩個輸入控制信號,其中u1是數(shù)字脈沖,u2是模擬信號。這種功率接口的特點是：高頻響應(yīng)大大提高,接近恒轉(zhuǎn)矩輸出特性,共振現(xiàn)象消除,但線路較復(fù)雜。目前已有相應(yīng)的集成功率模塊可供采用。

5、升頻升壓功率驅(qū)動

為了進一步提高驅(qū)動系統(tǒng)的高頻響應(yīng),可采用升頻升壓功率驅(qū)動接口。這種接口對繞組提供的電壓與電機的運行頻率成線性關(guān)系。它的主回路實際上是一個開關(guān)穩(wěn)壓電源,利用頻率-電壓變換器,將驅(qū)動脈沖的頻率轉(zhuǎn)換成直流電平,并用此電平去控制開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸入,這就構(gòu)成了具有頻率反饋的功率驅(qū)動接口。

6、集成功率驅(qū)動

目前

已有多種用于小功率步進電動機的集成功率驅(qū)動接口電路可供選用。

L298芯片是一種H橋式驅(qū)動器,它設(shè)計成接受標準TTL邏輯電平信號,可用來驅(qū)動電感性負載。H橋可承受46V電壓,相電流高達2.5A。L298(或XQ298,SGS298)的邏輯電路使用5V電源,功放級使用5~46V電壓,下橋發(fā)射極均單獨引出,以便接入電流取樣電阻。L298(等)采用15腳雙列直插小瓦數(shù)式封裝,工業(yè)品等級。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。H橋驅(qū)動的主要特點是能夠?qū)﹄姍C繞組進行正、反兩個方向通電。L298特別適用于對二相或四相步進電動機的驅(qū)動。

與L298類似的電路還有TER公司的3717,它是單H橋電路。SGS公司的SG3635則是單橋臂電路,IR公司的IR2130則是三相橋電路,Allegro公司則有A2916、A3953等小功率驅(qū)動模塊。

圖8是使用L297(環(huán)形分配器專用芯片)和L298構(gòu)成的具有恒流斬波功能的步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)。

具有供截止期間釋放電流流通的回路,以降低繞組兩端的反電動勢,加快電流衰減。

2、具有較高功率及效率。

步進電機驅(qū)動器,它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進電機的角位移,或者說：控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號,通過驅(qū)動器就使步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角。也就是說步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。所以控制步進脈沖信號的頻率,就可以對電機精確調(diào)速；控制步進脈沖的個數(shù),就可以對電機精確定位。步進電機驅(qū)動器有很多,我們應(yīng)以實際的功率要求合理的選擇驅(qū)動器。

對實際步距角的作用：在沒有細分驅(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。如果使用細分驅(qū)動器,則用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(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。

二、初速度太高,加速度太大,引起有時丟步;

三、在用同步帶的場合軟件補償太多或太少;

四、馬達力量不夠;

五、控制器受干擾引起誤動作

六、驅(qū)動器受干擾引起;

七、軟件缺陷;

有以下幾點解決方法：

1、一般的步進電機驅(qū)動器對方向和脈沖信號都有一定的要求,如：方向信號在第一個脈沖上升沿或下降沿(不同的驅(qū)動器要求不一樣)到來前數(shù)微秒被確定,否則會有一個脈沖所運轉(zhuǎn)的角度與實際需要的轉(zhuǎn)向相反,最后故障現(xiàn)象表現(xiàn)為越走越偏,細分越小越明顯,解決辦法主要用軟件改變發(fā)脈沖的邏輯或加延時。

2、由于步進電機特點決定初速度不能太高,尤其帶的負載慣量較大情況下建議初速度在1r/s以下,這樣沖擊較小,同樣加速度太大對系統(tǒng)沖擊也大,容易過沖,導(dǎo)致定位不準電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間應(yīng)有一定的暫停時間若沒有就會因反向加速度太大引起過沖。

3、根據(jù)實際情況調(diào)整被償參數(shù)值,(因為同步帶彈性形變較大,所以改變方向時需加一定的補償)。

4、適當?shù)卦龃篑R達電流,提高驅(qū)動器電壓(注意選配電機驅(qū)動器)選扭矩大一些的馬達。

5、系統(tǒng)的干擾引起控制器或驅(qū)動器的誤動作,我們只能想辦法找出干擾源,降低其干擾能力(如屏蔽,加大間隔距離等),切斷傳播途徑,提高自身的抗干擾能力,常見措施：①用雙紋屏蔽線代替普通導(dǎo)線,系統(tǒng)中信號線與大電流或大電壓變化導(dǎo)線分開布線,降低電磁干擾能力。

②用電源濾波器把來自電網(wǎng)的干擾波濾掉,在條件許可下各大用電設(shè)備的輸入端加電源濾波器,降低系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備之間的干擾。

③設(shè)備之間最好用光電隔離器件進行信號傳送,在條件許可下,脈沖和方向信號最好用差分方式加光電隔離進行信號傳送。在感性負載(如電磁繼電器、電磁閥)兩端加阻容吸收或快速泄放電路,感性負載在開頭瞬間能產(chǎn)生10~100倍的尖峰電壓,如果工作頻率在20KHZ以上。

6、軟件做一些容錯處理,把干擾帶來影響消除。