一、步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)性能
1）系統(tǒng)常識：
步進(jìn)電機和步進(jìn)電機驅(qū)動器構(gòu)成步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)。步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能，不但取決于步進(jìn)電機自身的性能，也取決于步進(jìn)電機驅(qū)動器的優(yōu)劣。對步進(jìn)電機驅(qū)動器的研究幾乎是與步進(jìn)電機的研究同步進(jìn)行的。
2）系統(tǒng)概述：
步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)電機驅(qū)動器接收到一個脈沖信號（來自控制器），它就驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。
3）系統(tǒng)控制：
步進(jìn)電機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)動電源（步進(jìn)電機驅(qū)動器）。控制器（脈沖信號發(fā)生器）可以通過控制脈沖的個數(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(dá)到調(diào)速的目的。
4）用途：
步進(jìn)電機是一種控制用的特種電機，作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展（步進(jìn)電機驅(qū)動器性能提高），步進(jìn)電機的需求量與日俱增。步進(jìn)電機在運行中精度沒有積累誤差的特點，使其廣泛應(yīng)用于各種自動化控制系統(tǒng)，特別是開環(huán)控制系統(tǒng)。
二、步進(jìn)電機結(jié)構(gòu)分類
步進(jìn)電機也叫脈沖電機，包括反應(yīng)式步進(jìn)電機（VR）、永磁式步進(jìn)電機（PM）、混合式步進(jìn)電機（HB）等。
1）反應(yīng)式步進(jìn)電機：
也叫感應(yīng)式、磁滯式或磁阻式步進(jìn)電機。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)動電壓較高）；步距角小（最小可做 到六分之一度）；斷電時無定位轉(zhuǎn)矩；電機內(nèi)阻尼較小，單步運行（指脈沖頻率很低時）震蕩時間較長；啟動和運行頻率較高。
2）永磁式步進(jìn)電機：
通常電機轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，軟磁材料制成的定子上有多相勵磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊沒有小齒和槽，通電后利用永磁體與定子電流磁場相互作用產(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)動電壓12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；斷電時具有一 定的保持轉(zhuǎn)矩；啟動和運行頻率較低。
3）混合式步進(jìn)電機：
也叫永磁反應(yīng)式、永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機，混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。其定子和四相反應(yīng)式步進(jìn)電機沒有區(qū)別（但同一相的兩個磁極相對，且兩個磁極 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；輸出轉(zhuǎn)矩較永磁式大（消耗功率相對較小）；步距角較永磁式小（一般為1.8度）；斷電時無定位轉(zhuǎn)矩；啟動和運行頻率較高；是目前發(fā)展較快的一種步進(jìn) 電機。
三、步進(jìn)電機的基本參數(shù)
1）電機固有步距角：
它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如STP-59D5026型電機給出的值為 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‘電機固有步距角’，它不一定是電機工作時的實際步距角， 實際步距角和驅(qū)動器有關(guān)。
2）步進(jìn)電機的相數(shù)：
是指電機內(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。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為 0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。步進(jìn)電機增加相數(shù)能提高性能，但步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動電源都會更復(fù)雜，成本也會增加。
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)電機最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機在 低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)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(jìn)電機最重要的參 數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)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(jìn)電機。
4）步距精度：
可以用定位誤差來表示，也可以用步距角誤差來表示。
5）矩角特性：
步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子離開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：
指電機靜止不動時，按規(guī)定的運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)時的溫升。
7）動態(tài)溫升：
電機在某一頻率下空載運行，按規(guī)定的運行時間進(jìn)行工作，運行時間結(jié)束后電機所達(dá)到的溫升叫動態(tài)溫升。
8）轉(zhuǎn)矩特性：
它表示電機轉(zhuǎn)矩和單相通電時勵磁電流的關(guān)系。
9）啟動矩頻特性：
啟動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為啟動矩頻特性。
10）運行矩頻特性/慣頻特性：略
11）升降頻時間：
指電機從啟動頻率升到最高運行頻率或從最高運行頻率降到啟動頻率所需的時間。
12）DETENT TORQUE：
是指步進(jìn)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，容易產(chǎn)生誤解；反應(yīng)式步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。
四、步進(jìn)電機特點
（1）步進(jìn)電機沒有積累誤差：一般步進(jìn)電機的精度為實際步距角的百分之三到五，且不累積。
（2）步進(jìn)電機在工作時，脈沖信號按一定順序輪流加到各相繞組上（由驅(qū)動器內(nèi)的環(huán)形分配器控制繞組通斷電的方式）。
（3）即使是同一臺步進(jìn)電機，在使用不同驅(qū)動方案時，其矩頻特性也相差很大。
（4）步進(jìn)電機與其它電動機不同，其標(biāo)稱額定電壓和額定電流只是參考值；又因為步進(jìn)電機是以脈沖方式供電，電源電壓是其最高電壓，而不是平均電壓，所以，步進(jìn)電機可以超出其額定值范圍工作。但選擇時不應(yīng)偏離額定值太遠(yuǎn)。
（5）步進(jìn)電機外表允許的最高溫度： 步進(jìn)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(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
（6）步進(jìn)電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降：當(dāng)步進(jìn)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。
（7）步進(jìn)電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定頻率就無法啟動,并伴有嘯叫聲。
步進(jìn)電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)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(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達(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 （電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。
（8）四相混合式步進(jìn)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)熱小；并聯(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，因而電機發(fā)熱較大。
（9）混合式步進(jìn)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12～48VDC），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。
（10）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。
（11）當(dāng)脫機信號FREE為低電平時，驅(qū)動器輸出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(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。
（12）用簡單的方法調(diào)整兩相步進(jìn)電機通電后的轉(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。
五、步進(jìn)電機驅(qū)動器的原理
步進(jìn)電機的運行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動，這種裝置就是步進(jìn)電機驅(qū)動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，加以放大以驅(qū)動步進(jìn)電機。步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進(jìn)脈沖信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速;控制步進(jìn)脈沖的個數(shù)，可以對電機精確定位。
典型的步進(jìn)電機驅(qū)動控制系統(tǒng)主要由三部分組成：
1）步進(jìn)控制器，由單片機實現(xiàn)。
2）驅(qū)動器，把單片機輸出的脈沖加以放大，以驅(qū)動步進(jìn)電機。
3）步進(jìn)電機。
典型的步進(jìn)電機驅(qū)動控制電路圖如下：
六、步進(jìn)電機的選擇
1）首先選擇類型，其次是具體的品種與型號。
2）反應(yīng)式、永磁式和混合式三種步進(jìn)電機的性能指標(biāo)、外形尺寸、安裝方法、脈沖電源種類和控制電路等都不同，價格差異也很大，選擇時應(yīng)綜合考慮。
3）具有控制集成電路的步進(jìn)電機應(yīng)優(yōu)先考慮。
七、步進(jìn)電機工作方式分類：可分為功率式和伺服式兩種
1）功率式：輸出轉(zhuǎn)矩較大，能直接帶動較大負(fù)載（一般使用反應(yīng)式、混合式步進(jìn)電機）。
2）伺服式：輸出轉(zhuǎn)矩較小，只能帶動較小負(fù)載（一般使用永磁式、混合式步進(jìn)電機）。
八、PWM調(diào)速的電機驅(qū)動電路，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)動多大功率的電機。
2）效率，高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會減少驅(qū)動電路的發(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)的一個問題，即兩個功率器件同時導(dǎo)通使電源短路）入手。
3）對控制輸入端的影響。功率電路對其輸入端應(yīng)有良好的信號隔離，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現(xiàn)隔離。
4）對電源的影響。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。
5）可靠性。電機驅(qū)動電路應(yīng)該盡可能做到，無論加上何種控制信號，何種無源負(fù)載，電路都是安全的。
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