步進電機小知識

1、步進電機小知識什么是步進電機步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(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轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 步進電機分哪幾種步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混

2、合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。 什么是保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機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電機最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。 什么是DETENT TORQUEDETENT

3、 TORQUE 是指步進電機沒有通電的情況下，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)式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。 步進電機精度為多少？是否累積一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。 步進電機的外表溫度允許達到多少步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。 為什么步進電機

4、的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，電機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。 為什么步進電機高于一定速度就無法啟動步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機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，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(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（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 如何克服兩相混合式步進電機的振動和噪聲步進電機低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固

5、有的缺點，一般可采用以下方案來克服： A.如步進電機正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區(qū)； B.采用帶有細分功能的驅(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電機，如三相或五相步進電機； D.換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高； E.在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產(chǎn)品，但機械結(jié)構(gòu)改變較大。 細分驅(qū)動器的細分?jǐn)?shù)是否能代表精度步進電機的細分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請參考有關(guān)文獻），其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉(zhuǎn)精度只是細分技術(shù)的一個附帶功能。比如對于步進角為1.8的兩相混合式步進電機，如果細分驅(qū)動器的

6、細分?jǐn)?shù)設(shè)置為4，那么電機的運轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖0.45，電機的精度能否達到或接近0.45，還取決于細分驅(qū)動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅(qū)動器精度可能差別很大；細分?jǐn)?shù)越大精度越難控制。 串聯(lián)接法和并聯(lián)接法有什么區(qū)別四相混合式步進電機與驅(qū)動器的串聯(lián)接法和并聯(lián)接法有什么區(qū)別? 四相混合式步進電機一般由兩相驅(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)接法將四相電機接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機轉(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相電流的0.7倍，因而電機發(fā)熱?。徊⒙?lián)接法一般在電機轉(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相電流的1.4倍，因而

7、電機發(fā)熱較大。 如何確定步進電機驅(qū)動器的直流供電電源A.電壓的確定 混合式步進電機驅(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)電機的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機工作轉(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1.11.3倍；如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取I 的1.52.0倍。 混合式步進電機驅(qū)動器的脫機信號FREE使用當(dāng)脫機信號FREE為低電平時，驅(qū)動器輸出

8、到電機的電流被切斷，電機轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機狀態(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)動電機軸（手動方式），就可以將FREE信號置低，使電機脫機，進行手動操作或調(diào)節(jié)。手動完成后，再將FREE信號置高，以繼續(xù)自動控制。 如何調(diào)整兩相步進電機通電轉(zhuǎn)動方向只需將電機與驅(qū)動器接線的A+和A-（或者B+和B-）對調(diào)即可。 步進電機的主要特性1 步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)， 驅(qū)動型號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候， 步進電機靜止， 如 果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號， 就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。 2 騰龍版步進電機的步進角度為7.5 度，一圈360 度

9、， 需要48 個脈沖完成。 3 步進電機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，繪圖儀，機器人，等等設(shè)備都以步進電機為動力核心。 步進電機控制例子我們使用的單極四相步進電機為例。其結(jié)構(gòu)如圖1： 四個繞組引出四相(相A1相A2相B1相B2)和兩個公共線(接到電源的正機)。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控制電機正轉(zhuǎn)的勵磁順序如下表： 若要求電機反轉(zhuǎn)，將勵磁信號倒過來傳送即可。 2 控制方案 控制系統(tǒng)的框圖如下 本方案采用AT89

10、S51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行更加穩(wěn)定。在方案中該單片機主要實現(xiàn)現(xiàn)場信號的采集并計算出步進電機運轉(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，可用單元為2500個，工作電壓為+5V。CPLD接收到單片機發(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電機驅(qū)動器。驅(qū)動器則把控制信號處理后輸入電機繞組，實現(xiàn)了電機的有效控制。 2.1 電機驅(qū)動器硬件結(jié)構(gòu) 電機的

11、驅(qū)動器采用如下電路： 其中R1-R8的電阻值為320。R9-R12的電阻值為2.2K。Q1-Q4為達林頓管D401A，Q5-Q8為S8550。J1、J2與步進電機的六條引線相連 步進電機優(yōu)缺點優(yōu)點1 電機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)； 2 電機停轉(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，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命； 6 電機的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得電機的結(jié)構(gòu)可以比較簡單而且控 制成本 7 僅僅

12、將負載直接連接到電機的轉(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1 如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振； 2 難以運轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。 步進電機驅(qū)動器的特點（1）構(gòu)成步進電機驅(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

13、流控制和保護電路都包括在內(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）“細分驅(qū)動”概述： 將“電機固有步距角”細分成若干小步的驅(qū)動方法，稱為細分驅(qū)動，細分是通過驅(qū)動器精確控制步進電機的相電流實現(xiàn)的，與電機本身無關(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）。 最新技術(shù)發(fā)展國內(nèi)外對細分驅(qū)動技術(shù)的研究十分活躍，高性能的細分驅(qū)動電路，可以細