步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器原理.

1、1、步進(jìn)電機(jī)是一種作為控制用的特種電機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度（稱為步 距角一步一步運行的，其特點是沒有積累誤差（精度為100%,所以廣泛應(yīng)用于各種 開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)的運行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動 ，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角。所以步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與 脈沖信號的頻率成正比。所以，控制步進(jìn)脈沖信號的頻率，可以對電機(jī)精確調(diào)速； 控制步進(jìn)脈沖的個數(shù)，可以對電機(jī)精確定位目的；2、步進(jìn)電機(jī)通過細(xì)分驅(qū)動器的驅(qū)動，其步距角變小了，如驅(qū)動器工作在 10細(xì)分狀態(tài)時，其步距角只為 電機(jī)固 有步

2、距角 的十分之一，也就是說： 當(dāng)驅(qū)動器工作在不細(xì)分的整步狀態(tài)時，控制系 統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動1.8 而用細(xì)分驅(qū)動器工作在10細(xì)分狀態(tài)時，電 機(jī)只轉(zhuǎn)動了 0.18 ，這就是細(xì)分的基本概念。 細(xì)分功能完全是由驅(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)。3、驅(qū)動器細(xì)分有什么優(yōu)點，為什么一定建議使用細(xì)分功能？驅(qū)動器細(xì)分后的主要優(yōu)點為：完全消除了電機(jī)的低頻振蕩。低頻振蕩是步進(jìn)電機(jī)（尤其是反應(yīng)式電機(jī)）的固有特性，而細(xì)分是消除它的唯 一途徑，如果您的步進(jìn)電機(jī)有時要在共振區(qū)工作（如走圓?。?，選擇細(xì)分驅(qū)動器是 唯一的選擇。提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。尤其是對三相反應(yīng)式電機(jī)，其力矩比不細(xì)分 時提高約30-

3、40%。提高了電機(jī)的分辨率。由于減小了步距角、提高了步距的均勻 度，提高電機(jī)的分辨率 是不言而喻的。有關(guān)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行的。3、系統(tǒng)控制：步進(jìn)電動機(jī)

4、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）?？刂破鳎}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(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

5、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?。ㄗ钚】勺龅?10;斷電時無定位轉(zhuǎn)矩；電機(jī)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(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

6、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。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?。徊骄嘟禽^永磁式?。ㄒ话銥?.

7、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(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

8、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，女口 86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9 71.8。（表示半步工作 時為0.9 7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)工作時的實際步距角，實際步距角和驅(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 71.8、三相的為0.75 71.5、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。（

9、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

10、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行，按規(guī)定的運行時間進(jìn)行工作，運行時間結(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 高運行頻率或從最高運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。

11、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 DETENT TORQUE。9、步進(jìn)電動機(jī)的一些特點：（1）步進(jìn)電動機(jī)沒有積累誤差：一般步進(jìn)電動機(jī)的精度為實際步距角的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；又因為步進(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

12、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；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(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)低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若

13、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??；并聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的

14、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1248VDC），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1.11.3 倍；如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取 I的1.52.0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

15、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：（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：

16、 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，

17、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際步距角，步進(jìn)電機(jī)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)實質(zhì)上是一種電子阻