步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)芯片選型

一、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能

1）系統(tǒng)常識(shí)：

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

2）系統(tǒng)概述：

步進(jìn)電機(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)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(yùn)行的。

3）系統(tǒng)控制：

步進(jìn)電機(jī)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(dòng)電源（步進(jìn)電機(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)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器性能提高），步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增。步進(jìn)電機(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)。

二、步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)分類

步進(jìn)電機(jī)也叫脈沖電機(jī)，包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）等。

1）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：

也叫感應(yīng)式、磁滯式或磁阻式步進(jìn)電機(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?。ㄗ钚】勺?到六分之一度）；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?。ㄏ墓β瘦^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)電機(jī)：

也叫永磁反應(yīng)式、永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(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?。徊骄嘟禽^永磁式?。ㄒ话銥?.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) 電機(jī)。

三、步進(jìn)電機(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STP-59D5026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° 。步進(jìn)電機(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（HOLDING TORQUE）：

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)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在 低速時(shí)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(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(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：

啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為啟動(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）DETENT TORQUE：

是指步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE 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)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒(méi)有DETENT TORQUE。

四、步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)

（1）步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有積累誤差：一般步進(jìn)電機(jī)的精度為實(shí)際步距角的百分之三到五，且不累積。

（2）步進(jìn)電機(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)電機(jī)與其它電動(dòng)機(jī)不同，其標(biāo)稱額定電壓和額定電流只是參考值；又因?yàn)椴竭M(jìn)電機(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)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

（6）步進(jìn)電機(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)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(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礁咚伲?

（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。

五、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的原理

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)，加以放大以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比，控制步進(jìn)脈沖信號(hào)的頻率，可以對(duì)電機(jī)精確調(diào)速;控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，可以對(duì)電機(jī)精確定位。

典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由三部分組成：

1）步進(jìn)控制器，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。

2）驅(qū)動(dòng)器，把單片機(jī)輸出的脈沖加以放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

3）步進(jìn)電機(jī)。

典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路圖如下：

六、步進(jìn)電機(jī)的選擇

1）首先選擇類型，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(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)電機(jī)應(yīng)優(yōu)先考慮。

七、步進(jìn)電機(jī)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(dòng)較大負(fù)載（一般使用反應(yīng)式、混合式步進(jìn)電機(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)電機(jī)）。

八、PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，主要有以下性能指標(biāo)

1）輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅(qū)動(dòng)多大功率的電機(jī)。

2）效率，高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會(huì)減少驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通（H橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題，即兩個(gè)功率器件同時(shí)導(dǎo)通使電源短路）入手。

3）對(duì)控制輸入端的影響。功率電路對(duì)其輸入端應(yīng)有良好的信號(hào)隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。

4）對(duì)電源的影響。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染；大的電流可能導(dǎo)致地線電位浮動(dòng)。

5）可靠性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該盡可能做到，無(wú)論加上何種控制信號(hào)，何種無(wú)源負(fù)載，電路都是安全的。

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