步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器原理
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(dòng)化設(shè)備中。步進(jìn)電機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)不同之處在于它是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu),，它同時(shí)完成兩個(gè)工作：一是傳遞轉(zhuǎn)矩，二是控制轉(zhuǎn)角位置或速度,。
1． 步進(jìn)電機(jī)工作原理
2．步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)
圖1.2 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖
3．驅(qū)動(dòng)器原理
步進(jìn)電機(jī)必須有驅(qū)動(dòng)器和控制器才能正常工作,。驅(qū)動(dòng)器的作用是對(duì)控制脈沖進(jìn)行環(huán)形分配、功率放大,，使步進(jìn)電機(jī)繞組按一定順序通電,，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖1.3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)
以兩相步進(jìn)電機(jī)為例,，當(dāng)給驅(qū)動(dòng)器一個(gè)脈沖信號(hào)和一個(gè)正方向信號(hào)時(shí),，驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過環(huán)形分配器和功率放大后，給電機(jī)繞組通電的順序?yàn)?/SPAN>
,，其四個(gè)狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化,，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；若方向信號(hào)變?yōu)樨?fù)時(shí),，通電時(shí)序就變?yōu)?/SPAN>,電機(jī)就逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),。
圖1.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖
分析步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖1.4，當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)有：
R為電路中存在的等效電阻,。
如果,，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E＝0,，則：
隨著電子技術(shù)的發(fā)展,，功率放大電路由單電壓電路、高低壓電路發(fā)展到現(xiàn)在的斬波電路,。其基本原理是：在電機(jī)繞組回路中,，串聯(lián)一個(gè)電流檢測(cè)回路，當(dāng)繞組電流降低到某一下限值時(shí)，電流檢測(cè)回路發(fā)出信號(hào),，控制高壓開關(guān)管導(dǎo)通,，讓高壓再次作用在繞組上，使繞組電流重新上升,；當(dāng)電流回升到上限值時(shí),，高壓電源又自動(dòng)斷開。重復(fù)上述過程,，使繞組電流的平均值增加,，電流波形的波頂維持在預(yù)定數(shù)值上，解決了高低壓電路在低頻段工作時(shí)電流下凹的問題,，使電機(jī)在低頻段力矩增大,。
步進(jìn)電機(jī)一定時(shí)，供給驅(qū)動(dòng)器的電壓值對(duì)電機(jī)性能影響較大,，電壓越高,，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高、力矩越大,；在驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高,、力矩越大,。
4．細(xì)分控制原理
為了提高步進(jìn)電機(jī)的性能，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用,。細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的原理是通過改變A,，B相電流的大小，以改變合成磁場(chǎng)的夾角,，從而可將一個(gè)步距角細(xì)分為多步,。
圖1.7 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分原理圖
細(xì)分?jǐn)?shù)越高，電流越平滑,，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)就越平穩(wěn),。驅(qū)動(dòng)器一般都具有細(xì)分功能，常見的細(xì)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(xì)分后步進(jìn)電機(jī)步距角按下列方法計(jì)算：
步距角 = 電機(jī)固有步距角 / 細(xì)分?jǐn)?shù)
例如：一臺(tái)1.8°電機(jī)設(shè)定為4細(xì)分,，其步距角為 1.8°/ 4 = 0.45°。
當(dāng)細(xì)分等級(jí)大于1/4后,，電機(jī)的定位精度并不能提高,，只是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)更平穩(wěn)。
5．步進(jìn)電機(jī)的術(shù)語(yǔ)及特點(diǎn)
相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極N,、S磁場(chǎng)的勵(lì)磁線圈對(duì)數(shù),。
步距角：
對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移,。一般二相電機(jī)的步距角為1.8度,，即電機(jī)運(yùn)動(dòng)200步為一周。
靜力矩（HOLDING TORQUE）：
是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),，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(shí)的力矩接近于靜力矩,。
定位力矩（DETENT TORQUE）：
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。
步距角精度：
步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)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%,。步進(jìn)角的誤差不累積。
最大空載起動(dòng)頻率：
電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)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(dòng)的最大頻率,。
最大空載的運(yùn)行頻率：
電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式,，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高運(yùn)行頻率,。
相電流：電機(jī)繞組所通過的電流,。
電機(jī)矩頻特性：
電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與脈沖頻率關(guān)系的曲線稱為電機(jī)矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的,，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù),。如圖2.2所示，在低速時(shí)的電機(jī)力矩接近靜轉(zhuǎn)矩,，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增加,，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)加大,，削弱了外加電壓的作用，使電機(jī)輸出力矩減小
圖1.10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)。
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)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）。電機(jī)驅(qū)動(dòng)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)輸出力矩大,，不失步和整個(gè)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。
丟步（失步）：
控制器給電機(jī)發(fā)了n個(gè)脈沖,，步進(jìn)電機(jī)并沒有轉(zhuǎn)動(dòng)n個(gè)步距角,。一般當(dāng)電機(jī)力矩偏小、加速度偏大,、速度偏高,、摩擦力不均勻等都會(huì)是丟步現(xiàn)象發(fā)生。
步進(jìn)電機(jī)的類型：
現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)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）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。
永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相,，轉(zhuǎn)矩和體積較小,，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；
反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相,，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出,，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大,。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成,，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,；
混合式步進(jìn)電機(jī)是指綜合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī),。它又分為兩相,、三相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度，三相步進(jìn)角一般為1.2度,，而五相步進(jìn)角一般為0.72度,。
6．步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器接線
1） 步進(jìn)電機(jī)線圈的串、并聯(lián)
許多2相步進(jìn)電機(jī)有8根引線,，這種電機(jī)既可以串聯(lián)連接又可以并聯(lián)連接,。
串聯(lián)連接的電機(jī)，線圈長(zhǎng)度增加,，力矩較大,；并聯(lián)連接的電機(jī)，電感較小,，所以啟動(dòng)、停止速度較快,。
注意：通過對(duì)調(diào)A和A在驅(qū)動(dòng)器上的位置,，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。
2） 用萬(wàn)用表確認(rèn)線圈極性
在沒有電機(jī)說明書時(shí),，可以用萬(wàn)用表確認(rèn)電機(jī)8引線的極性,，方法如下：
A．先用萬(wàn)用表測(cè)量8個(gè)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(gè)線圈電機(jī)也能正常轉(zhuǎn)動(dòng),，所以，在4個(gè)線圈中任選2個(gè),，接在驅(qū)動(dòng)器上,；
如果電機(jī)不轉(zhuǎn)，說明這2組線圈是A相線圈,；另外2個(gè)線圈是B相的2個(gè)線圈,；
如果電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，說明這2個(gè)線圈一個(gè)是A相,，一個(gè)是B相線圈,；
C．接2組線圈讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，再?gòu)?/SPAN>剩下的2個(gè)線圈中任選一個(gè)線圈,，串聯(lián)在A相線圈上,，如果電機(jī)電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)了,，說明該線圈是A相的另一個(gè)線圈；
如果電機(jī)不轉(zhuǎn),，將這個(gè)線圈的正負(fù)對(duì)調(diào)后再試一次,，如果電機(jī)還不轉(zhuǎn)，說明該線圈是B相的另一個(gè)線圈,。
D．用上述同樣方法,，可以確定最后一個(gè)線圈的極性。
3）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的接線：
l 光電隔離元件的作用：電氣隔離,，抗干擾,。
l 控制信號(hào)有3種接法：共陽(yáng)極接法、共陰極接法,、差分信號(hào)接法,。不管什么接法都要確保驅(qū)動(dòng)器光耦的電流在10～15mA范圍內(nèi)；否則,，電流過小,，驅(qū)動(dòng)器工作不可靠、不穩(wěn)定,，會(huì)有丟步等問題,；電流過大，會(huì)損壞驅(qū)動(dòng)器,。
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