步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的基本知識

1、系統(tǒng)常識：步進(jìn)電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能，不但取決于步進(jìn)電動機(jī)自身的性能，也取決于步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的優(yōu)劣。對步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的研究幾乎是與步進(jìn)電動機(jī)的研究同步進(jìn)行的。

2、系統(tǒng)概述：步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)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(yùn)行的。

3、系統(tǒng)控制：步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)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(jī)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(jìn)電動機(jī)是一種控制用的特種電機(jī)，作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展(步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器性能提高)，步進(jìn)電動機(jī)的需求量與日俱增。步進(jìn)電動機(jī)在運(yùn)行中精度沒有積累誤差的特點(diǎn)，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(jìn)電機(jī)按結(jié)構(gòu)分類：步進(jìn)電動機(jī)也叫脈沖電機(jī)，包括反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電動機(jī)(PM)、混合式步進(jìn)電動機(jī)(HB)等。

(1)反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)：也叫感應(yīng)式、磁滯式或磁阻式步進(jìn)電動機(jī)。其定子和轉(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(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出(消耗功率較大，電流最高可達(dá)20A，驅(qū)動電壓較高);步距角小;斷電時無定位轉(zhuǎn)矩;電機(jī)內(nèi)阻尼較小，單步運(yùn)行(指脈沖頻率很低時)震蕩時間較長;啟動和運(yùn)行頻率較高。

(2)永磁式步進(jìn)電動機(jī)：通常電機(jī)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)矩小(消耗功率較小，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(yùn)行頻率較低。

(3)混合式步進(jìn)電動機(jī)：也叫永磁反應(yīng)式、永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。其定子和四相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)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);步距角較永磁式小(一般為1.8度);斷電時無定位轉(zhuǎn)矩;啟動和運(yùn)行頻率較高;是目前發(fā)展較快的一種步進(jìn)電動機(jī)。

6、步進(jìn)電動機(jī)按工作方式分類：可分為功率式和伺服式兩種。

(1)功率式：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(jìn)電動機(jī))。

(2)伺服式：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(jìn)電動機(jī))。

7、步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)應(yīng)優(yōu)先考慮。

8、步進(jìn)電動機(jī)的基本參數(shù)：

(1)電機(jī)固有步距角：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。電機(jī)出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機(jī)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(jī)固有步距角”，它不一定是電機(jī)工作時的實(shí)際步距角，實(shí)際步距角和驅(qū)動器有關(guān)。

(2)步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù)：是指電機(jī)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(jìn)電動機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)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(jìn)電動機(jī)增加相數(shù)能提高性能，但步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動電源都會更復(fù)雜，成本也會增加。

(3)保持轉(zhuǎn)矩(HOLDINGTORQUE)：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(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電動機(jī)在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電動機(jī)。

(4)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)矩角特性：步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系稱為矩角特性。

(6)靜態(tài)溫升：指電機(jī)靜止不動時，按規(guī)定的運(yùn)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)動態(tài)溫升：電機(jī)在某一頻率下空載運(yùn)行，按規(guī)定的運(yùn)行時間進(jìn)行工作，運(yùn)行時間結(jié)束后電機(jī)所達(dá)到的溫升叫動態(tài)溫升。

(8)轉(zhuǎn)矩特性：它表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩和單相通電時勵磁電流的關(guān)系。

(9)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)運(yùn)行矩頻特性/慣頻特性：略

(11)升降頻時間：指電機(jī)從啟動頻率升到最高運(yùn)行頻率或從最高運(yùn)行頻率降到啟動頻率所需的時間。

(12)DETENTTORQUE：是指步進(jìn)電動機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENTTORQUE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(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENTTORQUE。

9、步進(jìn)電動機(jī)的一些特點(diǎn)：

(1)步進(jìn)電動機(jī)沒有積累誤差：一般步進(jìn)電動機(jī)的精度為實(shí)際步距角的百分之3-5，且不累積。

(2)步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)，在使用不同驅(qū)動方案時，其矩頻特性也相差很大。

(4)步進(jìn)電動機(jī)與其它電動機(jī)不同，其標(biāo)稱額定電壓和額定電流只是參考值;又因?yàn)椴竭M(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)外表允許的最高溫度：步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)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(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn);一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)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(jìn)電動機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

(6)步進(jìn)電動機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)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(jī)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(jìn)電動機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定頻率就無法啟動，并伴有嘯叫聲。

步進(jìn)電動機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速)。

(8)四相混合式步進(jìn)電機(jī)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(jī)接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機(jī)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(jī)相電流的0.7倍，因而電機(jī)發(fā)熱小;并聯(lián)接法一般在電機(jī)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(jī)相電流的1.4倍，因而電機(jī)發(fā)熱較大。

(9)混合式步進(jìn)電機(jī)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(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機(jī)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(jī)信號FREE為低電平時，驅(qū)動器輸出到電機(jī)的電流被切斷，電機(jī)轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)

(脫機(jī)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(jī)軸(手動方式)，就可以將FREE信號置低，使電機(jī)脫機(jī)，進(jìn)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(jìn)電機(jī)通電后的轉(zhuǎn)動方向，只需將電機(jī)與驅(qū)動器接線的A+和A-(或者B+和B-)對調(diào)即可。

10、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的一些特點(diǎn)：

(1)構(gòu)成步進(jìn)電動機(jī)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(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(hù)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(hù)電路都包括在內(nèi)的驅(qū)動控制器集成電路，如MOTOROLA公司的SAA1042(四相)和ALLEGRO公司的UCN5804(四相)等。

(2)“細(xì)分驅(qū)動”概述：

概念：將“電機(jī)固有步距角”細(xì)分成若干小步的驅(qū)動方法，稱為細(xì)分驅(qū)動，細(xì)分是通過驅(qū)動器精確控制步進(jìn)電動機(jī)的相電流實(shí)現(xiàn)的，與電機(jī)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)。

最新技術(shù)發(fā)展：國內(nèi)外對細(xì)分驅(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(jì)算使細(xì)分后的步距角均勻一致，大大提高了步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)更具有“類伺服”特性。

對實(shí)際步距角的作用：在沒有細(xì)分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)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(shí)際步距角，步進(jìn)電機(jī)的”相數(shù)”對改變實(shí)際步距角的作用幾乎可以忽略不計(jì)。

采用細(xì)分技術(shù)與步進(jìn)電動機(jī)精度提高的關(guān)系：步進(jìn)電動機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)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(jìn)電機(jī)的低頻振動，提高電機(jī)的運(yùn)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時對每一個脈沖的分辨率提高了，但運(yùn)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(jī)相電流進(jìn)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，會引起電機(jī)力矩的下降。真正的細(xì)分控制不但不會引起電機(jī)力矩的下降，相反，力矩會有所增加。