步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動及控制技術(shù)解答

1、1.步進(jìn)電機(jī)為什么要配步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器才能工作？   步進(jìn)電機(jī)作為一種控制精密位移及大范圍調(diào)速專用的電機(jī), 它的旋轉(zhuǎn)是以自身固有的步距角角（轉(zhuǎn)子與定子的機(jī)械結(jié)構(gòu)所決定）一步一步運(yùn)行的, 其特點(diǎn)是每旋轉(zhuǎn)一步，步距角始終不變，能夠保持精密準(zhǔn)確的位置。所以無論旋轉(zhuǎn)多少次，始終沒有積累誤差。由于控制方法簡單，成本低廉，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行需要有脈沖分配的功率型電子裝置進(jìn)行驅(qū)動, 這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。它接收控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，按照步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，順序分配脈沖，實(shí)現(xiàn)控制角位移、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)方向、制動加載狀態(tài)、自由狀態(tài)。控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號, 通過驅(qū)動器就

2、能夠驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個步距角。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。角位移量與脈沖個數(shù)相關(guān)。步進(jìn)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)時，能夠產(chǎn)生兩種狀態(tài)：制動加載能夠產(chǎn)生最大或部分保持轉(zhuǎn)矩（通常稱為剎車保持，無需電磁制動或機(jī)械制動）及轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（能夠被外部推力帶動輕松旋轉(zhuǎn)）。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，必須與步進(jìn)電機(jī)的型號相匹配。否則，將會損壞步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器。2.什么是驅(qū)動器的細(xì)分？運(yùn)行拍數(shù)與步距角是什么關(guān)系？  “細(xì)分”是針對“步距角”而言的。沒有細(xì)分狀態(tài)，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就按照整步旋轉(zhuǎn)一個特定的角度。步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)，都會給出一個步距角的值。如110BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9

3、°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這是步進(jìn)電機(jī)固有步距角。通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器設(shè)置的細(xì)分狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)將會按照細(xì)分的步距角旋轉(zhuǎn)位移角度，從而實(shí)現(xiàn)更為精密的定位。以110BYG250A電機(jī)為例，列表說明：電機(jī)固有步距角 運(yùn)行拍數(shù) 細(xì)分?jǐn)?shù) 電機(jī)運(yùn)行時的真正步距角0.9°/1.8° 8 2細(xì)分，即半步狀態(tài) 0.9°0.9°/1.8° 20 5細(xì)分狀態(tài) 0.36°0.9°/1.8° 40 10細(xì)分狀態(tài) 0.18°0.9°/1.8

4、6; 80 20細(xì)分狀態(tài) 0.09°0.9°/1.8° 160 40細(xì)分狀態(tài) 0.045°   可用看出，細(xì)分?jǐn)?shù)就是指電機(jī)運(yùn)行時的真正步距角是固有步距角(整步）的幾分指一。例如，驅(qū)動器工作在10細(xì)分狀態(tài)時，其步距角只有步進(jìn)電機(jī)固有步距角的十分之一。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，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)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° 。其實(shí)，細(xì)分就是步進(jìn)電機(jī)按照微小的步距角旋轉(zhuǎn)，也就是常說的微步距控制。當(dāng)然，不同的場合，有不同的控制要求。并不是說，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)必

5、須要求細(xì)分。有些步進(jìn)電機(jī)的步距角設(shè)計為3.6°、7.5°、15°、36°、180°，就是為了加大步距角，以適應(yīng)特殊的工況條件。細(xì)分功能，只是是由驅(qū)動器采用精確控制步進(jìn)電機(jī)的相電流方法，與步進(jìn)電機(jī)的步距角無關(guān)，而與步進(jìn)電機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)相關(guān)。  運(yùn)行拍數(shù)與驅(qū)動器細(xì)分的關(guān)系是：運(yùn)行拍數(shù)指步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時每轉(zhuǎn)一個齒距所需的脈沖數(shù)。例如：110BYG250A電機(jī)有50個齒，如果運(yùn)行拍數(shù)設(shè)置為160，那么步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈總共需要50×1608000步；對應(yīng)步距角為360°÷80000.045°。這就是驅(qū)動器設(shè)

6、置為40細(xì)分狀態(tài)。對于用戶來說，沒有必要去計算幾步幾拍，這是生產(chǎn)廠家配套的事情。用戶只要知道：控制系統(tǒng)所發(fā)出的脈沖率數(shù)，除以細(xì)分?jǐn)?shù)，就是步進(jìn)電機(jī)整步運(yùn)行的脈沖數(shù)。例如：步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°時，每秒鐘200個脈沖，步進(jìn)電機(jī)就能夠在一秒鐘內(nèi)旋轉(zhuǎn)一圈；當(dāng)驅(qū)動器設(shè)置為40細(xì)分狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)每秒鐘旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)，就要給到8000個。3.驅(qū)動器細(xì)分有什么好處？   步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器采用細(xì)分功能，能夠消除步進(jìn)電機(jī)的低頻共振（震蕩）現(xiàn)象，減少振動，降低工作噪音。隨著驅(qū)動器技術(shù)的不斷提高，當(dāng)今，步進(jìn)電機(jī)在低速工作時的噪音已經(jīng)與直流電機(jī)相差無幾。低頻共振是步進(jìn)電機(jī)（尤其是反應(yīng)式

7、電機(jī)）的固有特性，只有采用驅(qū)動器細(xì)分的辦法，才能減輕或消除。    利用細(xì)分方法，又能夠提高步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動器在細(xì)分狀態(tài)下，提供給步進(jìn)電機(jī)的電流顯得“持續(xù)、強(qiáng)勁”，極大地減少步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時的反向電動勢。   驅(qū)動器的細(xì)分功能，改善了步進(jìn)電機(jī)工作的旋轉(zhuǎn)位移分辨率。因此，步進(jìn)電機(jī)的步距角，就沒有必要做得更小。選擇現(xiàn)有的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)步距角的步進(jìn)電機(jī)，配置40細(xì)分以下的驅(qū)動器，就能夠完成精密控制任務(wù)。由于步進(jìn)電機(jī)步距角的原因，驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)再加大，已經(jīng)沒有實(shí)際意義。通常，選擇5、8、10、16、20細(xì)分，就能夠適應(yīng)各種工控要求。4.步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向有幾種方

8、法調(diào)整？  平時，采用三種方法來該變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。一、 改變控制系統(tǒng)的方向信號，即高電平或低電平。 二、 對于有兩路脈沖輸入的驅(qū)動器，改變脈沖的順序。三、 調(diào)整步進(jìn)電機(jī)其中一組線圈的兩個線頭位置，重新接入驅(qū)動器。 具體方法見下表：電機(jī)接線方式 原來接線序列 換向后接線序列兩相四線 A，A'，B，B' A'，A，B，B'或者A，A'，B'，B三相三線 A，B，C B，A，C或者A，C，B三相六線 A，A'，B，B'，C，C' B，B'，A，A'，C，C'或者A，A'，C，C&#

9、39;，B，B'五相五線 A，B，C，D，E E，D，C，B，A5四相六根和八根線的，如何使用兩相四線驅(qū)動器？    四相混合式步進(jìn)電機(jī)，可以認(rèn)為是二相混合式步進(jìn)電機(jī)。多組線圈多個抽頭，是為了適應(yīng)不同工況條件而設(shè)計的。由于步進(jìn)電機(jī)的線圈，與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩有著密切的關(guān)系。高速與低速工作的步進(jìn)電機(jī)參數(shù)有所不同。通常，高速步進(jìn)電機(jī)的電感要求小一點(diǎn)，低速工作時要求大一點(diǎn)的電感量。但是，這也不是絕對的。更多的實(shí)際應(yīng)用，還考慮權(quán)衡其它眾多相關(guān)因素。下面就幾種步進(jìn)電機(jī)的線圈繞組及出線，采用雙極性驅(qū)動器，說明接線方法：兩相四線電機(jī)：1 和2為一相，分別接A和/A；3和4為一相，分別接B

10、和/B。參考下圖：   四相六線電機(jī)，兩種方法接線：   一、1和2為一相，分別接A和/A；5和6為一相，分別接B和/B。 3和4不用，分別懸空（不要相連）。二、1、3為一相，定義A、/A；4、6為一相，定義為B、/B。2和5分別懸空不用（不要相連）。參考下圖： 四相八線電機(jī)， 有兩種接法。并聯(lián)接法：1和3相連=A，2和4相連=/A；5和7相連=B，6和8相連=/B。聯(lián)接法：1和4為一相，分別接A和/A；2、3連接好不用；5、8為一相，分別接B、/B，6、7連接好不用。參考下圖：6.四相五線步進(jìn)電機(jī)如何接驅(qū)動器？ 上述四相六線、八線步進(jìn)電機(jī)，都

11、可在生產(chǎn)過程中，接為五線制，適應(yīng)特殊需要。驅(qū)動器就要選擇單極性驅(qū)動方式，例如HSM8672單極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。如上圖：四相六線步進(jìn)電機(jī)的2、5并聯(lián)為一條線接公共電源；四相八線步進(jìn)電機(jī)的2、3、6、7并聯(lián)為一條線接公共電源。其它四條線分別接：A、/A、B、/B。7.電機(jī)在低速運(yùn)行時正常，為何稍高一點(diǎn)的頻率略就會堵轉(zhuǎn)？    步進(jìn)電機(jī)跑高速需要高電壓支持。步進(jìn)電機(jī)的工作電壓，能夠適應(yīng)在較大范圍內(nèi)調(diào)整。只要將輸入電壓加高一點(diǎn)，就可以解決。但是，要特別注意驅(qū)動器的輸入電壓不能高于驅(qū)動器電源端標(biāo)注的最高電壓，否則，會燒毀驅(qū)動器。8.接線全部完好，為何開機(jī)時步進(jìn)電機(jī)在抖動而不能運(yùn)行？

12、   步進(jìn)電機(jī)只能夠由數(shù)字信號控制運(yùn)行的，當(dāng)脈沖提供給驅(qū)動器時，在過于短的時間里，控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖數(shù)太多，也就是脈沖頻率過高，將導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)。要解決這個問題，必須采用加減速的辦法。就是說，在步進(jìn)電機(jī)起步時，要給逐漸升高的脈沖頻率，減速時的脈沖頻率需要逐漸減低。這就是我們常說的“加減速”方法。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速度，是根據(jù)輸入的脈沖信號的變化來改變的。從理論上講，給驅(qū)動器一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個步距角（細(xì)分時為一個細(xì)分步距角）。實(shí)際上，如果脈沖信號變化太快，步進(jìn)電機(jī)由于內(nèi)部的反向電動勢的阻尼作用，轉(zhuǎn)子與定子之間的磁反應(yīng)將跟隨不上電信號的變化，將導(dǎo)致堵轉(zhuǎn)和丟步。所以步進(jìn)電機(jī)在

13、高速啟動時，需要采用脈沖頻率升速的方法，在停止時也要有降速過程，以保證實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)精密定位控制。加速和減速的原理是一樣的。下面就加速實(shí)例加以說明：加速過程，是由基礎(chǔ)頻率（低于步進(jìn)電機(jī)的直接起動最高頻率）與跳變頻率（逐漸加快的頻率）組成加速曲線（降速過程反之）。跳變頻率是指步進(jìn)電機(jī)在基礎(chǔ)頻率上逐漸提高的頻率，此頻率不能太大，否則會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和丟步。加減速曲線一般為指數(shù)曲線或經(jīng)過修調(diào)的指數(shù)曲線，當(dāng)然也可采用直線或正弦曲線等。使用單片機(jī)或者PLC，都能夠?qū)崿F(xiàn)加減速控制。對于不同負(fù)載、不同轉(zhuǎn)速，需要選擇合適的基礎(chǔ)頻率與跳變頻率，才能夠達(dá)到最佳控制效果。指數(shù)曲線，在軟件編程中，先算好時間常數(shù)存貯在計算機(jī)存

14、貯器內(nèi)，工作時指向選取。通常，完成步進(jìn)電機(jī)的加減速時間為300ms以上。如果使用過于短的加減速時間，對絕大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)來說，很難實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)。    很多工控場合，要求步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、振動小、噪音低、瞬間完成執(zhí)行指令、高精度定位，都需要在編寫軟件時使用加減速方法。脈沖頻率的不同時間常數(shù)，對于某個工控現(xiàn)場步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，將會產(chǎn)生不同的控制效果。這就要求控制程序的編寫人員，深入了解控制要求，明確運(yùn)動目標(biāo)，做到錦上添花，力求完美。9.有些場合，步進(jìn)電機(jī)為何還要閉環(huán)控制？本來步進(jìn)電機(jī)，使用開環(huán)控制，能夠省去很多檢測、反饋器件及控制電路，以簡單的控制方法，價廉物美的優(yōu)勢，

15、取代很多伺服電機(jī)的控制。尤其在低速控制（3000轉(zhuǎn)/分鐘以下）環(huán)境中，使用步進(jìn)電機(jī)精密控制，有很好的性價比。就是采用閉環(huán)控制，其成本也要遠(yuǎn)低于伺服電機(jī)的控制系體成本。在某些工控環(huán)境中，負(fù)載有可能會隨機(jī)發(fā)生過載現(xiàn)象，使用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，就會發(fā)生丟步。此時，控制系統(tǒng)無法知道丟了多少步，繼續(xù)按照既定目標(biāo)工作，導(dǎo)致工作失誤。這樣，就要求在步進(jìn)電機(jī)帶動的主軸上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，或者安裝光電探頭、磁敏探頭、行程開關(guān)等器件，來識別位移物體是否到位，采集到的信號反饋到控制系體，適時修正工作參數(shù)，指令步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確動作。10.控制器與驅(qū)動器的連線是否要求屏蔽？如果只有步進(jìn)電機(jī)一種動力源的工控環(huán)境，通常不需要將信號線屏蔽。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)周圍，有其它動力源或能夠產(chǎn)生干擾信號的高壓電磁場，就必須將信號線屏蔽，以保證控制信號的指令，能夠正確指令步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動。只要控制信號線中有任何由外部干擾源產(chǎn)生的跳變信號，電流強(qiáng)度達(dá)到