步進電機及驅(qū)動器原理

2010年12月06日 11:41:03人氣：15252來源：上海歐沁機電工程技術(shù)有限公司

步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化設(shè)備中。步進電機和普通電動機不同之處在于它是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)，它同時完成兩個工作：一是傳遞轉(zhuǎn)矩，二是控制轉(zhuǎn)角位置或速度。

圖1.2步進電機結(jié)構(gòu)圖

3．驅(qū)動器原理
步進電機必須有驅(qū)動器和控制器才能正常工作。驅(qū)動器的作用是對控制脈沖進行環(huán)形分配、功率放大，使步進電機繞組按一定順序通電，控制電機轉(zhuǎn)動。

圖1.3 步進電機控制系統(tǒng)

，其四個狀態(tài)周而復(fù)始進行變化，電機順時針轉(zhuǎn)動；若方向信號變?yōu)樨摃r，通電時序就變?yōu)?電機就逆時針轉(zhuǎn)動。

圖1.4步進電機驅(qū)動電路原理圖

分析步進電機驅(qū)動電路原理圖1.4，當(dāng)T導(dǎo)通時有：

R為電路中存在的等效電阻。

如果，電機不轉(zhuǎn)動，感應(yīng)電動勢E＝0，則：

步進電機一定時，供給驅(qū)動器的電壓值對電機性能影響較大，電壓越高，步進電機轉(zhuǎn)速越高、力矩越大；在驅(qū)動器上一般設(shè)有相電流調(diào)節(jié)開關(guān)，相電流設(shè)的越大，步進電機轉(zhuǎn)速越高、力矩越大。

4．細分控制原理為了提高步進電機的性能，細分驅(qū)動器已經(jīng)廣泛應(yīng)用。細分驅(qū)動器的原理是通過改變A，B相電流的大小，以改變合成磁場的夾角，從而可將一個步距角細分為多步。

圖1.7步進電機細分原理圖

細分?jǐn)?shù)越高，電流越平滑，電機轉(zhuǎn)動就越平穩(wěn)。驅(qū)動器一般都具有細分功能，常見的細分倍數(shù)有：1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64，1/256；或：1/5，1/10，1/20。
細分后步進電機步距角按下列方法計算：
步距角 = 電機固有步距角 / 細分?jǐn)?shù)
例如：一臺1.8°電機設(shè)定為4細分，其步距角為 1.8°/ 4 = 0.45°。
當(dāng)細分等級大于1/4后，電機的定位精度并不能提高，只是電機轉(zhuǎn)動更平穩(wěn)。
相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的勵磁線圈對數(shù)。

步距角：
對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移。一般二相電機的步距角為1.8度，即電機運動200步為一周。
靜力矩（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zui重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近于靜力矩。
定位力矩（DETENT 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。
步距角精度：
步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：（誤差/步距角） *。步進角的誤差不累積。
zui大空載起動頻率：
電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的zui大頻率。
zui大空載的運行頻率：
電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的zui高運行頻率。
相電流：電機繞組所通過的電流。
電機矩頻特性：
電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與脈沖頻率關(guān)系的曲線稱為電機矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中zui重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。如圖2.2所示，在低速時的電機力矩接近靜轉(zhuǎn)矩，隨著電機轉(zhuǎn)速增加，感應(yīng)電動勢加大，削弱了外加電壓的作用，使電機輸出力矩減小。

圖1.10中，曲線3電流zui大、或電壓zui高；曲線1電流zui小、或電壓zui低，曲線與負載的交點為負載的zui大速度點。
電機的共振點：
步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進電機的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）。電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然。為使電機輸出力矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。
丟步（失步）：
控制器給電機發(fā)了n個脈沖，步進電機并沒有轉(zhuǎn)動n個步距角。一般當(dāng)電機力矩偏小、加速度偏大、速度偏高、摩擦力不均勻等都會是丟步現(xiàn)象發(fā)生。
步進電機的類型：
現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。
永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；
反應(yīng)式步進電機一般為三相，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。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；
混合式步進電機是指綜合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點而設(shè)計的步進電機。它又分為兩相、三相和五相：兩相步進角一般為1.8度，三相步進角一般為1.2度，而五相步進角一般為0.72度。
6．步進電機及驅(qū)動器接線
1）步進電機線圈的串、并聯(lián)
許多2相步進電機有8根引線，這種電機既可以串聯(lián)連接又可以并聯(lián)連接。
串聯(lián)連接的電機，線圈長度增加，力矩較大；并聯(lián)連接的電機，電感較小，所以啟動、停止速度較快。

注意：通過對調(diào)A和A在驅(qū)動器上的位置，電機就會反轉(zhuǎn)。

2）用萬用表確認線圈極性在沒有電機說明書時，可以用萬用表確認電機8引線的極性，方法如下：
A．先用萬用表測量8個引線之間的電阻，可判斷出4組線圈引線；
B．由于只接1、6，2、8或1、6，7、4二個線圈電機也能正常轉(zhuǎn)動，所以，在4個線圈中任選2個，接在驅(qū)動器上；
如果電機不轉(zhuǎn)，說明這2組線圈是A相線圈；另外2個線圈是B相的2個線圈；
如果電機轉(zhuǎn)動，說明這2個線圈一個是A相，一個是B相線圈；
C．接2組線圈讓電機轉(zhuǎn)動后，再從剩下的2個線圈中任選一個線圈，串聯(lián)在A相線圈上，如果電機電機正常轉(zhuǎn)動了，說明該線圈是A相的另一個線圈；
如果電機不轉(zhuǎn)，將這個線圈的正負對調(diào)后再試一次，如果電機還不轉(zhuǎn)，說明該線圈是B相的另一個線圈。
D．用上述同樣方法，可以確定zui后一個線圈的極性。

3）步進電機驅(qū)動器的接線：
光電隔離元件的作用：電氣隔離，抗干擾。
控制信號有3種接法：共陽極接法、共陰極接法、差分信號接法。不管什么接法都要確保驅(qū)動器光耦的電流在10～15mA范圍內(nèi)；否則，電流過小，驅(qū)動器工作不可靠、不穩(wěn)定，會有丟步等問題；電流過大，會損壞驅(qū)動器。

關(guān)鍵詞：步進電機驅(qū)動器控制器控制系統(tǒng)步進電機驅(qū)動

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