步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本知識(shí)

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

2、系統(tǒng)概述：步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)(來(lái)自控制器)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)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(dòng)機(jī)不能直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)電源(步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器)。控制器(脈沖信號(hào)發(fā)生器)可以通過(guò)控制脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器性能提高)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需求量與日俱增。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中精度沒(méi)有積累誤差的特點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)，特別是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。

5、步進(jìn)電機(jī)按結(jié)構(gòu)分類(lèi)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也叫脈沖電機(jī)，包括反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(PM)、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(HB)等。

(1)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：也叫感應(yīng)式、磁滯式或磁阻式步進(jìn)電動(dòng)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(lì)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(dòng)電壓較高);步距角小;斷電時(shí)無(wú)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(shí))震蕩時(shí)間較長(zhǎng);啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高。

(2)永磁式步進(jìn)電動(dòng)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(lì)磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊沒(méi)有小齒和槽，通電后利用永磁體與定子電流磁場(chǎng)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(dòng)電壓12V);步距角大(例如7.5度、15度、22.5度等);斷電時(shí)具有一定的保持轉(zhuǎn)矩;啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較低。

(3)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：也叫永磁反應(yīng)式、永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)機(jī)沒(méi)有區(qū)別(但同一相的兩個(gè)磁極相對(duì)，且兩個(gè)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(hào);輸出轉(zhuǎn)矩較永磁式大(消耗功率相對(duì)較小);步距角較永磁式小(一般為1.8度);斷電時(shí)無(wú)定位轉(zhuǎn)矩;啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較高;是目前發(fā)展較快的一種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

6、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按工作方式分類(lèi)：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(dòng)較大負(fù)載(一般使用反應(yīng)式、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī))。

(2)伺服式：輸出轉(zhuǎn)矩較小，只能帶動(dòng)較小負(fù)載(一般使用永磁式、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī))。

7、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇：

(1)首先選擇類(lèi)型，其次是具體的品種與型號(hào)。

(2)反應(yīng)式、永磁式和混合式三種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)、外形尺寸、安裝方法、脈沖電源種類(lèi)和控制電路等都不同，價(jià)格差異也很大，選擇時(shí)應(yīng)綜合考慮。

(3)具有控制集成電路的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)優(yōu)先考慮。

8、步進(jìn)電動(dòng)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(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)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(shí)為0.9°、整步工作時(shí)為1.8°)，這個(gè)步距角可以稱(chēng)之為“電機(jī)固有步距角”，它不一定是電機(jī)工作時(shí)的實(shí)際步距角，實(shí)際步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。

(2)步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)電源都會(huì)更復(fù)雜，成本也會(huì)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(dòng)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(dòng)機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電動(dòng)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(shuō)2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

(4)步距精度：可以用定位誤差來(lái)表示，也可以用步距角誤差來(lái)表示。

(5)矩角特性：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子離開(kāi)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(dòng)機(jī)靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系稱(chēng)為矩角特性。

(6)靜態(tài)溫升：指電機(jī)靜止不動(dòng)時(shí)，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(shí)的溫升。

(7)動(dòng)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(shí)間進(jìn)行工作，運(yùn)行時(shí)間結(jié)束后電機(jī)所達(dá)到的溫升叫動(dòng)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(shí)勵(lì)磁電流的關(guān)系。

(9)啟動(dòng)矩頻特性：?jiǎn)?dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱(chēng)為啟動(dòng)矩頻特性。

(10)運(yùn)行矩頻特性/慣頻特性：略

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

(12)DETENTTORQUE：是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENTTORQUE在國(guó)內(nèi)沒(méi)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒(méi)有DETENTTORQUE。

9、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一些特點(diǎn)：

(1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒(méi)有積累誤差：一般步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)機(jī)在工作時(shí)，脈沖信號(hào)按一定順序輪流加到各相繞組上(由驅(qū)動(dòng)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(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在使用不同驅(qū)動(dòng)方案時(shí)，其矩頻特性也相差很大。

(4)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與其它電動(dòng)機(jī)不同，其標(biāo)稱(chēng)額定電壓和額定電流只是參考值;又因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)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(dòng)機(jī)可以超出其額定值范圍工作。但選擇時(shí)不應(yīng)偏離額定值太遠(yuǎn)。

(5)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)外表允許的最高溫度：步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)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(lái)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(dòng)機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

(6)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì);頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定頻率就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)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?gòu)牡退偕礁咚?。

(8)四相混合式步進(jìn)電機(jī)一般由兩相驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)，因此，連接時(shí)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(chǎng)合使用，此時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)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(chǎng)合使用(又稱(chēng)高速接法)，所需要的驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的供電電源電壓一般是一個(gè)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(lái)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(guò)驅(qū)動(dòng)器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動(dòng)器。

(10)供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的輸出相電流I來(lái)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(kāi)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(hào)FREE為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(dòng)化設(shè)備中，如果在驅(qū)動(dòng)器不斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸(手動(dòng)方式)，就可以將FREE信號(hào)置低，使電機(jī)脫機(jī)，進(jìn)行手動(dòng)操作或調(diào)節(jié)。手動(dòng)完成后，再將FREE信號(hào)置高，以繼續(xù)自動(dòng)控制。

(12)用簡(jiǎn)單的方法調(diào)整兩相步進(jìn)電機(jī)通電后的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，只需將電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接線的A+和A-(或者B+和B-)對(duì)調(diào)即可。

10、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的一些特點(diǎn)：

(1)構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的專(zhuān)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(dòng)(或包含電流控制、保護(hù)電路)的驅(qū)動(dòng)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(dòng))和MTD2001(兩相、H橋、斬波驅(qū)動(dòng))。

D將脈沖分配器、功率驅(qū)動(dòng)、電流控制和保護(hù)電路都包括在內(nèi)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)”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(dòng)方法，稱(chēng)為細(xì)分驅(qū)動(dòng)，細(xì)分是通過(guò)驅(qū)動(dòng)器精確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相電流實(shí)現(xiàn)的，與電機(jī)本身無(wú)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(jí)近似階梯波)，則定子繞組電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)合力，會(huì)使轉(zhuǎn)子有N個(gè)新的平衡位置(形成N個(gè)步距角)。

最新技術(shù)發(fā)展：國(guó)內(nèi)外對(duì)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究十分活躍，高性能的細(xì)分驅(qū)動(dòng)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(guò)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(dòng)機(jī)的脈沖分辨率，減小或消除了震蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)更具有“類(lèi)伺服”特性。

對(duì)實(shí)際步距角的作用：在沒(méi)有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)滿足自己對(duì)步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則用戶只需在驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)機(jī)精度提高的關(guān)系：步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個(gè)附帶功能。細(xì)分后電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)每一個(gè)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(dòng)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(dòng)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(duì)驅(qū)動(dòng)器要有相當(dāng)高的技術(shù)要求和工藝要求，成本亦會(huì)較高。國(guó)內(nèi)有一些驅(qū)動(dòng)器采用對(duì)電機(jī)相電流進(jìn)行“平滑”處理來(lái)取代細(xì)分，屬于“假細(xì)分”，“平滑”并不產(chǎn)生微步，會(huì)引起電機(jī)力矩的下降。真正的細(xì)分控制不但不會(huì)引起電機(jī)力矩的下降，相反，力矩會(huì)有所增加。