雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用,但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī),交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事,它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識。

步進(jìn)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, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增,在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時您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。

三相步進(jìn)電機(jī)專用變頻器特點(diǎn)：

低頻轉(zhuǎn)矩輸出180% ,低頻運(yùn)行特性良好

輸出頻率最大600Hz,可控制高速電機(jī)

全方位的偵測保護(hù)功能(過壓、欠壓、過載)瞬間停電再起動

加速、減速、動轉(zhuǎn)中失速防止等保護(hù)功能

電機(jī)動態(tài)參數(shù)自動識別功能,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性

高速停機(jī)時響應(yīng)快

豐富靈活的輸入、輸出接口和控制方式,通用性強(qiáng)

采用SMT全貼裝生產(chǎn)及三防漆處理工藝,產(chǎn)品穩(wěn)定度高

全系列采用最新西門子igbt功率器件,確保品質(zhì)的高質(zhì)量

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)

由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。

1、結(jié)構(gòu)： 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒,定子齒有三個勵磁繞阻,其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。 0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示）,即A與齒1相對齊,B與齒2向右錯開1/3て,C與齒3向右錯開2/3て,A'與齒5相對齊,（A'就是A,齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖：

2、旋轉(zhuǎn)： 如A相通電,B,C相不通電時,由于磁場作用,齒1與A對齊,（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如B相通電,A,C相不通電時,齒2應(yīng)與B對齊,此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て,此時齒3與C偏移為1/3て,齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。 如C相通電,A,B相不通電,齒3應(yīng)與C對齊,此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て,此時齒4與A偏移為1/3て對齊。 如A相通電,B,C相不通電,齒4與A對齊,轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て 這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài),齒4（即齒1前一齒）移到A相,電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距,如果不斷地按A,B,C,A……通電,電機(jī)就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A,C,B,A……通電,電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過,出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài),這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合,使其1/3て變?yōu)?/12て,1/24て,這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機(jī)定子上有m相勵磁繞阻,其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī),出于成本等多方面考慮,市場上一般以二、三、四、五相為多。

3、力矩： 電機(jī)一旦通電,在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量Ф）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力 F與（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br為磁密,S為導(dǎo)磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長度,D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=N·I/R N·I為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。 力矩=力*半徑 力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)*磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)） 因此,電機(jī)有效體積越大,勵磁安匝數(shù)越大,定轉(zhuǎn)子間氣隙越小,電機(jī)力矩越大,反之亦然。

感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)

一、特點(diǎn)

感應(yīng)子式與傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比,結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體,以提供軟磁材料的工作點(diǎn),而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能,因此該電機(jī)效率高,電流小,發(fā)熱低。因永磁體的存在,該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢,其自身阻尼作用比較好,使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 感應(yīng)子式某種程度上可以看作是低速同步的電機(jī)。一個四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行,也可以作二相運(yùn)行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動）,而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如：四相,八相運(yùn)行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C=,D=. 一個二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致,小功率電機(jī)一般直接接為二相,而功率大一點(diǎn)的電機(jī),為了方便使用,靈活改變電機(jī)的動態(tài)特點(diǎn),往往將其外部接線為八根引線（四相）,這樣使用時,既可以作四相電機(jī)使用,可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。

二、分類

感應(yīng)子式電機(jī)以相數(shù)可分為：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)、五相電機(jī)等。以機(jī)座號（電機(jī)外徑）可分為：42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標(biāo)準(zhǔn)）,而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。

三、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語

1、相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。

2、拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示,或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù),以四相電機(jī)為例,有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍運(yùn)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

3、步距角：對應(yīng)一個脈沖信號,電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運(yùn)行拍數(shù)）,以常規(guī)二、四相,轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步）,八拍運(yùn)行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。

4、定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下,電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）

5、靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下,電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時,電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn),與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。 雖然靜轉(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),但過分采用減小氣隙,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。

四、動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：

1、步距角精度： 步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同,四拍運(yùn)行時應(yīng)在5%之內(nèi),八拍運(yùn)行時應(yīng)在15%以內(nèi)。

2、失步： 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù),不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。

3、失調(diào)角： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度,電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角,由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差,采用細(xì)分驅(qū)動是不能解決的。

4、最大空載起動頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下,在不加負(fù)載的情況下,能夠直接起動的最大頻率。

5、最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動形式,電壓及額定電流下,電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。

6、運(yùn)行矩頻特性： 電機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性,這是電機(jī)諸多動態(tài)曲線中最重要的,也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。如下圖所示： 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。 電機(jī)一旦選定,電機(jī)的靜力矩確定,而動態(tài)力矩卻不然,電機(jī)的動態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時的平均電流（而非靜態(tài)電流）,平均電流越大,電機(jī)輸出力矩越大,即電機(jī)的頻率特性越硬。 如下圖所示： 其中,曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低,曲線與負(fù)載的交點(diǎn)為負(fù)載的最大速度點(diǎn)。 要使平均電流大,盡可能提高驅(qū)動電壓,使采用小電感大電流的電機(jī)。

7、電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域,二、四相感應(yīng)子式的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pPS左右（步距角為0.9度）,電機(jī)驅(qū)動電壓越高,電機(jī)電流越大,負(fù)載越輕,電機(jī)體積越小,則共振區(qū)向上偏移,反之亦然,為使電機(jī)輸出電矩大,不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低,一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。

8、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制： 當(dāng)電機(jī)繞組通電時序?yàn)锳B-BC-CD-DA或()時為正轉(zhuǎn),通電時序?yàn)镈A-CD-BC-AB或()時為反轉(zhuǎn)。

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)實(shí)際工作時的真正步距角,真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。

通常步進(jìn)電機(jī)步距角β的一般計(jì)算按下式計(jì)算。

β=360°/（Z·m·K）

式中 β―步進(jìn)電機(jī)的步距角；

Z―轉(zhuǎn)子齒數(shù)；

m―步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù)；

K―控制系數(shù),是拍數(shù)與相數(shù)的比例系數(shù)

步進(jìn)電機(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° 。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)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動器,則‘相數(shù)’將變得沒有意義,用戶只需在驅(qū)動器上改變細(xì)分?jǐn)?shù),就可以改變步距角。

轉(zhuǎn)矩

1、HOLDING TORQUE（保持轉(zhuǎn)矩）

是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時,定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一,通常步進(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)電機(jī)。

2、DETENT TORQUE（無激磁保持轉(zhuǎn)矩）：

是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下,定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式,容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料,所以它沒有DETENT TORQUE。

一、專業(yè)化、特殊化、個性化

隨著電機(jī)行業(yè)的不斷發(fā)展,電機(jī)產(chǎn)品的外延和內(nèi)涵也不斷拓展,電機(jī)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于冶金、電力、石化、煤炭、礦山、建材、造紙、市政、水利、造船、港口裝卸等各個領(lǐng)域。電機(jī)的通用性逐漸向?qū)Ｓ眯苑较虬l(fā)展,打破了過去同樣的電機(jī)分別用于不同負(fù)載類型、不同使用場合的局面。電機(jī)正向?qū)Ｓ眯浴⑻厥庑浴�個性化方向發(fā)展。國內(nèi)很多企業(yè)也在向?qū)�業(yè)化企業(yè)轉(zhuǎn)型,如煤礦電機(jī)廠、防爆電機(jī)廠、微特電機(jī)廠等,而企業(yè)是否具有非標(biāo)準(zhǔn)化定制的適應(yīng)能力,是衡量一個企業(yè)未來發(fā)展?jié)摿Φ闹匾�方面�?/P>

二、產(chǎn)品單機(jī)容量不斷增大

隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的逐步增大,與之相配套的生產(chǎn)設(shè)備也向著集成化、大型化、規(guī)模化方向發(fā)展,拖動大型機(jī)械設(shè)備的電動機(jī)功率也隨之越來越大,高電壓等級、大容量、高性能電機(jī)成為最重要的方向。對于各種軋機(jī)、電站輔機(jī)、高爐風(fēng)機(jī)、鐵道牽引、軌道交通、艦船動力、排灌用泵等傳動用的大型交、直流電動機(jī),單機(jī)容量不斷擴(kuò)大,品種也不斷增多。這也促使電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)紛紛向高壓大中型電機(jī)行業(yè)靠攏,以提高自身競爭力。

三、資源向優(yōu)勢企業(yè)集中

技術(shù)水平?jīng)Q定利潤水平和競爭者數(shù)量從整個步進(jìn)電機(jī)行業(yè)來講,平均利潤水平呈U形分布,競爭者數(shù)量呈倒U家用電器相關(guān)研究報(bào)告形的分布。目前,電機(jī)行業(yè)市場化程度高,電機(jī)企業(yè)數(shù)量眾多,整個行業(yè)處于整合、優(yōu)化的變革過程當(dāng)中。微型電機(jī)、大型電機(jī)(包括部分特種電機(jī))由于技術(shù)難度高、前期投入較大、技術(shù)門檻較高,處于整個U型曲線的最高端,平均利潤水平較高、競爭者數(shù)量較少;小功率電機(jī)、小中型電機(jī)處于整個U型曲線的中間,競爭者數(shù)量較多,平均利潤水平較低。

1、一般步進(jìn)電機(jī)的精度誤差為步距角的3-5%,且不累積。

2、步進(jìn)電機(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)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

3、步進(jìn)電機(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。

4、步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。

步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率,即步進(jìn)電機(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）。

步進(jìn)電動機(jī)以其顯著的特點(diǎn),在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高,步進(jìn)電機(jī)將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

主要特性

1、步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動才可以運(yùn)轉(zhuǎn), 驅(qū)動信號必須為脈沖信號,沒有脈沖的時候, 步進(jìn)電機(jī)靜止, 如

果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號, 就會以一定的角度（稱為步距角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。

2、三相步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度為7.5 度,一圈360 度, 需要48 個脈沖完成。

3、步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。

4、改變脈沖的順序, 可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。

因此,目前打印機(jī),繪圖儀,機(jī)器人,等等設(shè)備都以步進(jìn)電機(jī)為動力核心。

驅(qū)動器的特點(diǎn)

1、構(gòu)成步進(jìn)電機(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、PMM8723、PMM8714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、L6506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,如東芝公司的TB6560AHQ、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：

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）。

一是過載性好。其轉(zhuǎn)速不受負(fù)載大小的影響,不像普通電機(jī),當(dāng)負(fù)載加大時就會出現(xiàn)速度下降的情況,步進(jìn)電機(jī)使用時對速度和位置都有嚴(yán)格要求。

二是控制方便。步進(jìn)電機(jī)是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的,數(shù)字特征比較明顯。

三是整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單。傳統(tǒng)的機(jī)械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,調(diào)整困難,使用步進(jìn)電機(jī)后,使得整機(jī)的結(jié)構(gòu)變得簡單和緊湊。 測速電機(jī)是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓,并傳遞到輸入端作為反饋信號。測速電機(jī)為一種輔助型電機(jī),在普通直流電機(jī)的尾端安裝測速電機(jī),通過測速電機(jī)所產(chǎn)生的電壓反饋給直流電源,來達(dá)到控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

本模塊可分為如下3個部分：

· 單片機(jī)系統(tǒng)：控制步進(jìn)電動機(jī)；

· 外圍電路：PIC單片機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)的接口電路；

· PIC程序：編寫單片機(jī)控制步進(jìn)電功機(jī)的接口程序,實(shí)現(xiàn)三角波信號的輸出功能。

1、步進(jìn)電動機(jī)與單片機(jī)的接口。

單片機(jī)是性能極佳的控制處理器,在控制步進(jìn)電機(jī)工作時,接口部件必須要有下列功能。

①電壓隔離功能。

單片機(jī)工作在5V,而步進(jìn)電機(jī)是工作在幾十V,甚至更高。一旦步進(jìn)電機(jī)的電壓串到單片機(jī)中,就會損壞單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)的信號會干擾單片機(jī),也可能導(dǎo)致系統(tǒng)工作失誤,因此接口器件必須有隔離功能。

②信息傳遞功能。

接口部件應(yīng)能夠把單片機(jī)的控制信息傳遞給步進(jìn)電機(jī)回路,產(chǎn)生工作所需的控制信息,對應(yīng)于不同的工作方式,接口部件應(yīng)能產(chǎn)生相應(yīng)的工作控制波形。

③產(chǎn)生所需的不同頻率。

為了使步進(jìn)電機(jī)以不同的速度工作,以適應(yīng)不同的目的,接口部件應(yīng)能產(chǎn)生不同的工作頻率。

2、電壓隔離接口。

電壓隔離接口專用于隔離低壓部分的單片機(jī)和高壓部分的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路,以保證它們的正常工作。

電壓隔離接口可以用脈沖變壓器或光電隔離器,現(xiàn)在基本上是采用光電隔離器。單片機(jī)輸出信號可以通過TTL門電路或者直接送到晶體管的基極,再由晶體管驅(qū)動光電耦合器件的發(fā)光二極管。

發(fā)光二極管的光照到光電耦合器件內(nèi)部的光敏管上,轉(zhuǎn)換成電信號,再去驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的功率放大電路,電流放大接口是步進(jìn)電機(jī)功放電路的前置放大電路。它的作用是把光電隔離器的輸出信號進(jìn)行電流放大,以便向功放電路提供足夠大的驅(qū)動電流。

3、工作方式接口和頻率發(fā)生器。

用單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī),需要在輸入輸出接口上用3條I/0線對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行控制,這時,單片機(jī)用I/O口的RA0、RAI、RA2控制步進(jìn)電動機(jī)的三相。

一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%,且不累積。

外表溫度允許值

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130攝氏度以上,有的甚至高達(dá)200攝氏度以上,所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在80-90攝氏度完全正常。

力矩與轉(zhuǎn)速成反比

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。

為什么步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率高于一定值就無法啟動　　

步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率,即步進(jìn)電機(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）。

減輕振動和噪聲的方法

步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點(diǎn),一般可采用以下方案來克服：

A、如步進(jìn)電機(jī)正好工作在共振區(qū),可通過改變減速比等機(jī)械傳動避開共振區(qū)；

B、采用帶有細(xì)分功能的驅(qū)動器,這是最常用的、最簡便的方法；

C、換成步距角更小的步進(jìn)電機(jī),如三相或五相步進(jìn)電機(jī)；

D、換成交流伺服電機(jī),幾乎可以完全克服震動和噪聲,但成本較高；

E、在電機(jī)軸上加磁性阻尼器,市場上已有這種產(chǎn)品,但機(jī)械結(jié)構(gòu)改變較大。

驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)與精度

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請參考有關(guān)文獻(xiàn)）,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。比如對于步進(jìn)角為1.8°的兩相混合式步進(jìn)電機(jī),如果細(xì)分驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為4,那么電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖0.45°,電機(jī)的精度能否達(dá)到或接近0.45°,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。

串聯(lián)接法和并聯(lián)接法

四相混合式步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器的串聯(lián)接法和并聯(lián)接法的區(qū)別：

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。

驅(qū)動器電源的確定

A.電壓的確定

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。

B.電流的確定

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。

脫機(jī)信號FREE使用

混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器當(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。

兩相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向變換

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。

四個繞組引出四相(相A1相A2相B1相B2)和兩個公共線(接到電源的正極)。把繞組的某一相接到電源的地線。這樣該繞組就會受到激勵。我們采用四相八拍的控制方式,即1相與2相交替導(dǎo)通,這樣可提高分辨率。每一步可轉(zhuǎn)0.9°控制電機(jī)正轉(zhuǎn)的勵磁順序如下表：

若要求電機(jī)反轉(zhuǎn),將勵磁信號倒過來傳送即可。

控制方案

控制系統(tǒng)的框圖如下

本方案采用AT89S51作為主控制器件。它與AT89C51兼容,同時還增加了SPI接口和看門狗模塊,這不但使程序調(diào)試變得方便而且也使程序運(yùn)行更加穩(wěn)定。在方案中該單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信號的采集并計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方向和速度信息。然后傳送給CPLD。

CPLD采用EPM7128SLC84-15,EPM7128是可編程的大規(guī)模邏輯器件,為ALTERA公司的MAX7000系列產(chǎn)品。具有高阻抗、電可擦等特點(diǎn),可用單元為2500個,工作電壓為+5V。CPLD接收到單片機(jī)發(fā)送過來的信息后,轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的控制信號輸出給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。驅(qū)動器則把控制信號處理后輸入電機(jī)繞組,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的有效控制。

電機(jī)驅(qū)動器硬件結(jié)構(gòu)

電機(jī)的驅(qū)動器采用如下電路：

其中R1-R8的電阻值為320Ω。R9-R12的電阻值為2.2KΩ。Q1-Q4為達(dá)林頓管D401A,Q5-Q8為S8550。J1、J2與步進(jìn)電機(jī)的六條引線相連。

1、電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；

2、電機(jī)停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當(dāng)繞組激磁時）；

3、由于每步的精度在百分之三到百分之五,而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運(yùn)動的重復(fù)性；

4、 優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；

5、由于沒有電刷,可靠性較高,因此電機(jī)的壽命僅僅取決于軸承的壽命；

6、電機(jī)的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定,因而可以采用開環(huán)控制,這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以比較簡單而且控制成本；

7、僅僅將負(fù)載直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。

8、由于速度正比于脈沖頻率,因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。

缺點(diǎn)

1、如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振；

2、難以運(yùn)轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。

3、難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩

4、在體積重量方面沒有優(yōu)勢,能源利用率低。

5、超過負(fù)載時會破壞同步,高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。

直接接到工頻交流或直流電源上工作,而必須使用專用的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器,如圖2所示,它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護(hù)單元等組成。圖中點(diǎn)劃線所包圍的二個單元可以用微機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動單元與步進(jìn)電動機(jī)直接耦合,也可理解成步進(jìn)電動機(jī)微機(jī)控制器的功率接口,這里予以簡單介紹。

1、單電壓功率驅(qū)動

實(shí)用

電路如圖3所示。在電機(jī)繞組回路中串有電阻Rs,使電機(jī)回路

時間常數(shù)減小,高頻時電機(jī)能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩,還能緩解電機(jī)的低頻共振現(xiàn)象,但它引起附加的損耗。一般情況下,簡單單電壓驅(qū)動線路中,Rs是不可缺少的。Rs對步進(jìn)電動機(jī)單步響應(yīng)的改善如圖3(b)。

2、雙電壓功率驅(qū)動

雙電壓驅(qū)動的功率接口如圖4所示。雙電壓驅(qū)動的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓UL驅(qū)動,而在高速（高頻段）時用較高的電壓UH驅(qū)動。這種功率接口需要兩個控制信號,Uh為高壓有效控制信號,U為脈沖調(diào)寬驅(qū)動控制信號。圖中,功率管TH和二極管DL構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)Uh低電平,TH關(guān)斷,DL正偏置,低電壓UL對繞組供電。反之Uh高電平,TH導(dǎo)通,DL反偏,高電壓UH對繞組供電。這種電路可使電機(jī)在高頻段也有較大出力,而靜止鎖定時功耗減小。

3、高低壓功率驅(qū)動

高低壓功率驅(qū)動接口如圖5所示。高低壓驅(qū)動的設(shè)計(jì)思想是,不論電機(jī)

工作頻率如何,均利用高電壓UH供電來提高導(dǎo)通相繞組的電流前沿,而在前沿過后,用低電壓UL來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅(qū)動器的高頻性能,而且不必再串聯(lián)電阻Rs,消除了附加損耗。高低壓驅(qū)動功率接口也有兩個輸入控制信號Uh和Ul,它們應(yīng)保持同步,且前沿在同一時刻跳變,如圖5所示。圖中,高壓管VTH的導(dǎo)通時間tl不能太大,也不能太小,太大時,電機(jī)電流過載；太小時,動態(tài)性能改善不明顯。一般可取1~3ms。（當(dāng)這個數(shù)值與電機(jī)的電氣時間常數(shù)相當(dāng)時比較合適）。

4、斬波恒流功率驅(qū)動

恒流驅(qū)動的設(shè)計(jì)思想是,設(shè)法使導(dǎo)通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時均保持固定數(shù)值。使電機(jī)具有

恒轉(zhuǎn)矩輸出特性。這是目前使用較多、效果較好的一種功率接口。圖6是斬波恒流功率接口原理圖。圖中R是一個用于電流采樣的小阻值電阻,稱為采樣電阻。當(dāng)電流不大時,VT1和VT2同時受控于走步脈沖,當(dāng)電流超過恒流給定的數(shù)值,VT2被封鎖,電源U被切除。由于電機(jī)繞組具有較大電感,此時靠二極管VD續(xù)流,維持繞組電流,電機(jī)靠消耗電感中的磁場能量產(chǎn)生出力。此時電流將按指數(shù)曲線衰減,同樣電流采樣值將減小。當(dāng)電流小于恒流給定的數(shù)值,VT2導(dǎo)通,電源再次接通。如此反復(fù),電機(jī)繞組電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值上,形成小小的鋸齒波,如圖6所示。

斬波恒流功率驅(qū)動接口也有兩個輸入控制信號,其中u1是數(shù)字脈沖,u2是模擬信號。這種功率接口的特點(diǎn)是：高頻響應(yīng)大大提高,接近恒轉(zhuǎn)矩輸出特性,共振現(xiàn)象消除,但線路較復(fù)雜。目前已有相應(yīng)的集成功率模塊可供采用。

5、升頻升壓功率驅(qū)動

為了進(jìn)一步提高驅(qū)動系統(tǒng)的高頻響應(yīng),可采用升頻升壓功率驅(qū)動接口。這種接口對繞組提供的電壓與電機(jī)的運(yùn)行頻率成線性關(guān)系。它的主回路實(shí)際上是一個開關(guān)穩(wěn)壓電源,利用頻率-電壓變換器,將驅(qū)動脈沖的頻率轉(zhuǎn)換成直流電平,并用此電平去控制開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸入,這就構(gòu)成了具有頻率反饋的功率驅(qū)動接口。

6、集成功率驅(qū)動

目前

已有多種用于小功率步進(jìn)電動機(jī)的集成功率驅(qū)動接口電路可供選用。

L298芯片是一種H橋式驅(qū)動器,它設(shè)計(jì)成接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號,可用來驅(qū)動電感性負(fù)載。H橋可承受46V電壓,相電流高達(dá)2.5A。L298(或XQ298,SGS298)的邏輯電路使用5V電源,功放級使用5~46V電壓,下橋發(fā)射極均單獨(dú)引出,以便接入電流取樣電阻。L298(等)采用15腳雙列直插小瓦數(shù)式封裝,工業(yè)品等級。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。H橋驅(qū)動的主要特點(diǎn)是能夠?qū)﹄姍C(jī)繞組進(jìn)行正、反兩個方向通電。L298特別適用于對二相或四相步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動。

與L298類似的電路還有TER公司的3717,它是單H橋電路。SGS公司的SG3635則是單橋臂電路,IR公司的IR2130則是三相橋電路,Allegro公司則有A2916、A3953等小功率驅(qū)動模塊。

圖8是使用L297(環(huán)形分配器專用芯片)和L298構(gòu)成的具有恒流斬波功能的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。

具有供截止期間釋放電流流通的回路,以降低繞組兩端的反電動勢,加快電流衰減。

2、具有較高功率及效率。

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)一個步距角。也就是說步進(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,就可以對電機(jī)精確調(diào)速；控制步進(jìn)脈沖的個數(shù),就可以對電機(jī)精確定位。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器有很多,我們應(yīng)以實(shí)際的功率要求合理的選擇驅(qū)動器。

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)。

二、初速度太高,加速度太大,引起有時丟步;

三、在用同步帶的場合軟件補(bǔ)償太多或太少;

四、馬達(dá)力量不夠;

五、控制器受干擾引起誤動作

六、驅(qū)動器受干擾引起;

七、軟件缺陷;

有以下幾點(diǎn)解決方法：

1、一般的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器對方向和脈沖信號都有一定的要求,如：方向信號在第一個脈沖上升沿或下降沿(不同的驅(qū)動器要求不一樣)到來前數(shù)微秒被確定,否則會有一個脈沖所運(yùn)轉(zhuǎn)的角度與實(shí)際需要的轉(zhuǎn)向相反,最后故障現(xiàn)象表現(xiàn)為越走越偏,細(xì)分越小越明顯,解決辦法主要用軟件改變發(fā)脈沖的邏輯或加延時。

2、由于步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)決定初速度不能太高,尤其帶的負(fù)載慣量較大情況下建議初速度在1r/s以下,這樣沖擊較小,同樣加速度太大對系統(tǒng)沖擊也大,容易過沖,導(dǎo)致定位不準(zhǔn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間應(yīng)有一定的暫停時間若沒有就會因反向加速度太大引起過沖。

3、根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整被償參數(shù)值,(因?yàn)橥�步帶彈性形變較大,所以改變方向時需加一定的補(bǔ)償)。

4、適當(dāng)?shù)卦龃篑R達(dá)電流,提高驅(qū)動器電壓(注意選配電機(jī)驅(qū)動器)選扭矩大一些的馬達(dá)。

5、系統(tǒng)的干擾引起控制器或驅(qū)動器的誤動作,我們只能想辦法找出干擾源,降低其干擾能力(如屏蔽,加大間隔距離等),切斷傳播途徑,提高自身的抗干擾能力,常見措施：①用雙紋屏蔽線代替普通導(dǎo)線,系統(tǒng)中信號線與大電流或大電壓變化導(dǎo)線分開布線,降低電磁干擾能力。

②用電源濾波器把來自電網(wǎng)的干擾波濾掉,在條件許可下各大用電設(shè)備的輸入端加電源濾波器,降低系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備之間的干擾。

③設(shè)備之間最好用光電隔離器件進(jìn)行信號傳送,在條件許可下,脈沖和方向信號最好用差分方式加光電隔離進(jìn)行信號傳送。在感性負(fù)載(如電磁繼電器、電磁閥)兩端加阻容吸收或快速泄放電路,感性負(fù)載在開頭瞬間能產(chǎn)生10~100倍的尖峰電壓,如果工作頻率在20KHZ以上。

6、軟件做一些容錯處理,把干擾帶來影響消除。