一體化步進(jìn)電機(jī)微型驅(qū)動控制器選型快速指南

簡介
　　現(xiàn)代社會分工日益細(xì)化。不論企業(yè)還是用戶，只有專注于最擅長的工作才能使利益最大化。步進(jìn)電機(jī)的用戶多數(shù)不研究電機(jī)的控制和優(yōu)化，而是將其應(yīng)用于某個場合?；谶@點(diǎn)，國外開始盛行一體化步進(jìn)系統(tǒng)，即將步進(jìn)電機(jī)、反饋裝置、驅(qū)動放大器、運(yùn)動控制器組合成一個整體。其優(yōu)勢為：體積小、故障率低、無需匹配電機(jī)和驅(qū)動控制器，使用簡單，系統(tǒng)設(shè)計和維護(hù)方便，大大減少產(chǎn)品開發(fā)時間。
　　然而國外的一體化步進(jìn)系統(tǒng)售價高昂，一般在200到1000美金一臺/軸。鑒于國內(nèi)實際情況，上海優(yōu)愛寶公司從美國引進(jìn)了一體化步進(jìn)系統(tǒng)全面技術(shù)，以適合中國的價格為國內(nèi)用戶提供一體化步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)。其低端產(chǎn)品比國內(nèi)同類售價略低，其高端產(chǎn)品國內(nèi)尚無類似，其價格是國外產(chǎn)品的1/10。關(guān)鍵元器件全部由美國合作公司在美國本土采購。
　　針對目前步進(jìn)電機(jī)用戶選型一體化步進(jìn)電機(jī)微型驅(qū)動控制器的一些疑問特撰文如下。
　　一體化步進(jìn)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、反饋系統(tǒng)（選配）、驅(qū)動放大器、運(yùn)動控制器等子系統(tǒng)組成。如果把用戶上位機(jī)（PC、PLC等）比作公司老板，運(yùn)動控制器就是高管，驅(qū)動放大器就是技工，步進(jìn)電機(jī)就是機(jī)床。老板通過某種通訊方式/協(xié)議（電話、電報、電郵等）協(xié)調(diào)數(shù)個高管間合作。高管根據(jù)老板意思，作出詳細(xì)工作計劃通知手下的技工。技工根據(jù)高管的計劃開機(jī)床完成生產(chǎn)任務(wù)。同時由于該機(jī)床（步進(jìn)電機(jī)）質(zhì)量很好，一般不出次品。但是為保證質(zhì)量，可以增加質(zhì)檢人員（即反饋系統(tǒng)），在發(fā)生質(zhì)量問題時通知高管和老板以決定對策。老板不會開機(jī)床，也不懂生產(chǎn)，但是由于有高管和技工的幫助，老板照樣能統(tǒng)領(lǐng)多個高管完成復(fù)雜的任務(wù)。高管+技工+機(jī)床（有時加上質(zhì)檢）就是一個一體化的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，而用戶則是老板。以下對各子系統(tǒng)選型時的基本考量分別作簡單介紹。
　　步進(jìn)電機(jī)
　　步進(jìn)電機(jī)能將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移。在額定功率范圍內(nèi)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，加上步進(jìn)電機(jī)累積誤差較小等特點(diǎn)，使得在速度、位置等領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變得較為簡單。步進(jìn)電機(jī)分三種，目前主要廣泛應(yīng)用的是混合式步進(jìn)電機(jī)。選用步進(jìn)電機(jī)時，必須注意如下廠方參數(shù)（均和電機(jī)一同提供）：
　　1） 步距角： 收到一個步進(jìn)脈沖后電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度。實際步距角和驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)有關(guān)。一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步距角的3-5%，不累積。
　　2） 相數(shù)： 電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)。相數(shù)不同，步距角不同。如使用細(xì)分驅(qū)動器，則‘相數(shù)’沒有意義：改變細(xì)分?jǐn)?shù)就可改變步距角。
　　3） 保持轉(zhuǎn)矩：亦稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。指額定電流下轉(zhuǎn)速為零時，外力迫使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動所需的力矩。保持轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。步進(jìn)電機(jī)在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩和功率隨速度增大而不斷變化，所以保持轉(zhuǎn)矩是衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。雖然保持轉(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)。但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。保持轉(zhuǎn)矩的選型確定如下：
　　步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)力矩一下子很難確定，往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。階越（突然）起動時（一般由低速）時二種負(fù)載均要考慮，加速（斜坡）起動時主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，保持轉(zhuǎn)矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，保持轉(zhuǎn)矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來。
　　4） 額定相電流：指電機(jī)實現(xiàn)各項額定廠方參數(shù)時的每相（每個線圈）電流。實驗證明高于和低于該電流均可造成電機(jī)工作時某些指標(biāo)超標(biāo)而同時另一些指標(biāo)不達(dá)標(biāo)。
其他一些值得注意的事項還有：
　　低速運(yùn)轉(zhuǎn)的振動和噪聲。從本質(zhì)上說，每一脈沖都是對電機(jī)系統(tǒng)的激勵。當(dāng)激勵頻率接近電機(jī)的自振頻率時，轉(zhuǎn)子就會有大幅的震動。因此振動和噪聲是其固有的特點(diǎn)。一般轉(zhuǎn)速為1圈/秒，2圈/秒時震動最大?？刹捎酶淖儨p速比，細(xì)分驅(qū)動器等方法減緩。
　　選擇電源時，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。轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快時選較高電壓。電流一般根據(jù)驅(qū)動器的輸出相電流峰值來確定。線性電源取相電流的1.1～1.3倍，開關(guān)電源取相電流 的1.5～2倍。
　　脫機(jī)時電機(jī)電流被切斷，轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機(jī)狀態(tài)）。如不斷電時要手動轉(zhuǎn)動電機(jī)軸，可使用脫機(jī)。
　　運(yùn)行溫度過高會發(fā)生退磁現(xiàn)象導(dǎo)致力矩下降和失步。一般退磁點(diǎn)大于攝氏130度，故電機(jī)表面攝氏80-90度屬正常。
　　電機(jī)沒有載荷情況下能正常啟動的最高脈沖頻率叫空載啟動頻率。如果高于該值，則不能正常啟動。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。

　　反饋系統(tǒng)
　　步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他所有電機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)走步精準(zhǔn)而且有力。如果工作過程是已知的，阻礙力矩是在電機(jī)能力范圍以內(nèi)的，反饋系統(tǒng)并不需要。反饋系統(tǒng)的加裝和信號采集處理會迅速增加成本，且與步進(jìn)電機(jī)的特長重疊，所以除非必須，一般不要反饋系統(tǒng)。雖然這樣，優(yōu)愛寶的一些高端驅(qū)動控制器還是提供了幾個反饋信號接入口，可接受模擬量（內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換）和數(shù)字量輸入，并通過相應(yīng)的通訊協(xié)議發(fā)回給用戶。
　　驅(qū)動放大器
　　驅(qū)動放大器包括邏輯解釋模塊和電流放大模塊。驅(qū)動放大器接受步進(jìn)脈沖，方向信號等輸入，輸出兩組（或幾組）受控電流到電機(jī)的兩個（或幾個）繞組。
　　邏輯解釋模塊根據(jù)用戶上位機(jī)發(fā)來的步進(jìn)脈沖、方向信號以及脫機(jī)信號等，使得各線圈（繞組）電流輪流切換，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)子步進(jìn)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)工作方式只有兩種，即整步工作和半步工作，步距角是由電機(jī)結(jié)構(gòu)確定的。當(dāng)基本步距角不能滿足要求時，需要進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動。即每次輸入脈沖切換時，不將電流全通或全斷，而只改變相應(yīng)繞組電流的一部分，從而轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)動基本步距角的一部分。細(xì)分功能由驅(qū)動器靠精確控制電機(jī)的相電流所產(chǎn)生，與電機(jī)無關(guān)。細(xì)分后，輸出電流變化相對平穩(wěn)，一定程度上提高輸出轉(zhuǎn)矩，減弱電機(jī)的低頻振蕩，提高步距精度。具體的改善程度視細(xì)分程度和驅(qū)動電路的質(zhì)量而定。對于質(zhì)量較好的電機(jī)，一般16~32細(xì)分以上已無明顯作用，但可略為降低振動和噪音。
　　電流放大模塊將邏輯信號放大成工作電流。較為常用的是由場效應(yīng)管組成的H橋電路。場效應(yīng)管可以是一種電子開關(guān)，就像電燈開關(guān)。使用這種通斷型開關(guān)來調(diào)整電流的常用方式是斬波恒流。恒流就是恒定電流。斬波就是將高出需要電流波砍掉。例如往一個漏水的杯子里加水，如加水速度大于漏水速度，就要停停加加，以免溢出。場效應(yīng)管開通時，電流上升。當(dāng)電流剛超過設(shè)定時，場效應(yīng)管關(guān)斷，電流被砍，掉下來。掉到低于設(shè)定時，場效應(yīng)管再次打開，電流又上升。反復(fù)開關(guān)加上電機(jī)線圈電感作用，電流就保持在設(shè)定值了。需要指出的是，有些驅(qū)動放大器發(fā)熱量（不是溫度）很大，有些很小。主要原因是多數(shù)場效應(yīng)管的內(nèi)阻都在幾百毫歐姆。多數(shù)優(yōu)愛寶驅(qū)動器場效應(yīng)管內(nèi)阻都在10-30毫歐姆之間，所以發(fā)熱量較普通驅(qū)動器小很多。驅(qū)動器的表面溫度與發(fā)熱量和散熱面積相關(guān)。優(yōu)愛寶驅(qū)動器由于體積?。ɑ鸩窈写笮。?，故而雖然發(fā)熱量很?。ㄒ话阈∮?-2W），但是在一些大電流（4-8A）的工作場合，仍需要將其安裝在提供的法蘭片上并固定到電機(jī)上或機(jī)柜上以散熱。
　　運(yùn)動控制器
　　運(yùn)動控制器包括運(yùn)動控制模塊和通訊模塊。運(yùn)動控制器負(fù)責(zé)與用戶上位機(jī)交流，并按上位機(jī)要求，控制驅(qū)動放大器實現(xiàn)電機(jī)的受控運(yùn)動。
　　為了讓用戶上位機(jī)能專注于高層次的控制工作，運(yùn)動控制器必須具備足夠的智能。關(guān)于運(yùn)動控制模塊的功能和原理涉及較為復(fù)雜的控制技術(shù)，此處從簡。這兒介紹與用戶切身相關(guān)的通訊模塊。多數(shù)情況下，運(yùn)動控制器負(fù)責(zé)實現(xiàn)用戶指令。指令的傳遞涉及軟件（協(xié)議、指令結(jié)構(gòu)）和硬件。硬件類似前面例子中的電話機(jī)/線，PC機(jī)/網(wǎng)線等。協(xié)議（電話還是電郵）定了，硬件也就基本定了。指令結(jié)構(gòu)好比說話的語法結(jié)構(gòu)，白話文結(jié)構(gòu)，文言文結(jié)構(gòu)等，雙方聽懂就好。
　　目前工業(yè)常用協(xié)議有RS232，RS485，CAN 等。RS232最簡單，但抗干擾差，傳輸距離短。RS485和RS232差不多簡單，抗干擾略強(qiáng)，傳輸距離較長。CAN總線協(xié)議以其高速（1百萬比特率）、長距離（1萬米）、高抗干擾的特點(diǎn)，被國外廣泛用于汽車（發(fā)動機(jī)、傳感和電控系統(tǒng)等）、自動化制造、交通管理等干擾信號嚴(yán)重，攸關(guān)人身安全的場合。CAN總線只需兩根導(dǎo)線即可組成網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類似節(jié)日彩燈，從頭到尾總共兩根電源線卻掛幾百盞燈。CAN協(xié)議保證不會發(fā)生節(jié)點(diǎn)為爭奪總線而撞車。但是CAN協(xié)議相對復(fù)雜，不易掌握。
　　優(yōu)愛寶的RS232系列驅(qū)動器采用RS232與用戶機(jī)通訊。值得注意的是，在短距離內(nèi)，RS232也可達(dá)到很高的速度。如用合適的外圍器件，速度可達(dá)1M以上。而CAN總線系列驅(qū)動器將CAN總線和協(xié)議打包，再以簡單易用的RS232與用戶界面。因此用戶不必了解和處理紛繁復(fù)雜的CAN總線運(yùn)作方式，也能充分享用CAN總線的高速、長距離、高抗干擾、網(wǎng)絡(luò)功能、連線簡潔等優(yōu)越性能。所有指令均通過CAN總線（在工作地，如廠區(qū)、設(shè)備內(nèi)）傳遞，只在用戶上位機(jī)的進(jìn)出口處將CAN協(xié)議和RS232協(xié)議雙向翻譯/轉(zhuǎn)換。不算兩根電源線，優(yōu)愛寶的CAN系列控制器和彩燈沒有區(qū)別：兩根信號線能拖掛高達(dá)100臺驅(qū)動器。
　　在指令結(jié)構(gòu)方面，傻瓜型的用戶界面使得用戶無需了解步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動器以及CAN總線。指令結(jié)構(gòu)簡單直觀，高容錯。例如要執(zhí)行速度=1000步/秒，以下指令都有效：“SPD=1000；”，“SPD:1000；”，“SPD 1000；”，“SPD1000；”甚至“SPD%$content$amp;*1000；” 萬一輸入了錯誤指令，驅(qū)動器返回錯誤信息，錯誤指令不被執(zhí)行。
　　一言以蔽之，一體化步進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)就是：老大（用戶機(jī)）發(fā)句話，小弟（一體化系統(tǒng)）全搞定，并隨時可向老大匯報。