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步進電機及驅動芯片選型指南 |
1、系統常識：
步進電機和步進電機驅動器構成步進電機驅動系統。步進電機驅動系統的性能，不但取決于步進電機自身的性能，也取決于步進電機驅動器的優劣。對步進電機驅動器的研究幾乎是與步進電機的研究同步進行的。
2、系統概述：
步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行元件。當步進電機驅動器接收到一個脈沖信號（來自控制器），它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。
3、系統控制：
步進電機不能直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅動電源（步進電機驅動器）。控制器（脈沖信號發生器）可以通過控制脈沖的個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
4、用途：
步進電機是一種控制用的特種電機，作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，隨著微電子和計算機技術的發展（步進電機驅動器性能提高），步進電機的需求量與日俱增。步進電機在運行中精度沒有積累誤差的特點，使其廣泛應用于各種自動化控制系統，特別是開環控制系統。
5、步進電機按結構分類：
步進電機也叫脈沖電機，包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）等。
（1）反應式步進電機：
也叫感應式、磁滯式或磁阻式步進電機。其定子和轉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、轉子周邊均勻分布小齒和 槽，通電后利用磁導的變化產生轉矩。一般為三、四、五、六相；可實現大轉矩輸出（消耗功率較大，電流最高可達20A，驅動電壓較高）；步距角小（最小可做 到六分之一度）；斷電時無定位轉矩；電機內阻尼較小，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）永磁式步進電機：
通常電機轉子由永磁材料制成，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生轉 矩。一般為兩相或四相；輸出轉矩小（消耗功率較小，電流一般小于2A，驅動電壓12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；斷電時具有一 定的保持轉矩；啟動和運行頻率較低。
（3）混合式步進電機：
也叫永磁反應式、永磁感應式步進電機，混合了永磁式和反應式的優點。其定子和四相反應式步進電機沒有區別（但同一相的兩個磁極相對，且兩個磁極 上繞組產生的N、S極性必須相同），轉子結構較為復雜（轉子內部為圓柱形永磁鐵，兩端外套軟磁材料，周邊有小齒和槽）。一般為兩相或四相；須供給正負脈沖 信號；輸出轉矩較永磁式大（消耗功率相對較小）；步距角較永磁式小（一般為1.8度）；斷電時無定位轉矩；啟動和運行頻率較高；是目前發展較快的一種步進 電機。
6、步進電機按工作方式分類：可分為功率式和伺服式兩種。
（1）功率式：輸出轉矩較大，能直接帶動較大負載（一般使用反應式、混合式步進電機）。
（2）伺服式：輸出轉矩較小，只能帶動較小負載（一般使用永磁式、混合式步進電機）。
7、步進電機的選擇：
（1）首先選擇類型，其次是具體的品種與型號。
（2）反應式、永磁式和混合式三種步進電機的性能指標、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，選擇時應綜合考慮。
（3）具有控制集成電路的步進電機應優先考慮。
8、步進電機的基本參數：
（1）電機固有步距角：
它表示控制系統每發一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。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， 實際步距角和驅動器有關。
（2）步進電機的相數：
是指電機內部的線圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數不同，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° 。步進電機增加相數能提高性能，但步進電機的結構和驅動電源都會更復雜，成本也會增加。
（3）保持轉矩（HOLDING TORQUE）：
也叫大靜轉矩，是在額定靜態電流下施加在已通電的步進電機轉軸上而不產生連續旋轉的大轉矩。它是步進電機最重要的參數之一，通常步進電機在 低速時的力矩接近保持轉矩。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，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參 數之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。
（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：
步進電機的轉子離開平衡位置后所具有的恢復轉矩，隨著轉角的偏移而變化。步進電機靜轉矩與失調角的關系稱為矩角特性。
（6）靜態溫升：
指電機靜止不動時，按規定的運行方式中最多的相數通以額定靜態電流，達到穩定的熱平衡狀態時的溫升。
（7）動態溫升：
電機在某一頻率下空載運行，按規定的運行時間進行工作，運行時間結束后電機所達到的溫升叫動態溫升。
（8）轉矩特性：
它表示電機轉矩和單相通電時勵磁電流的關系。
（9）啟動矩頻特性：
啟動頻率與負載轉矩的關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：
是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。DETENT TORQUE 在國內沒有統一的翻譯方式，容易產生誤解；反應式步進電機的轉子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。
9、步進電機的一些特點：
（1）步進電機沒有積累誤差：一般步進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（由驅動器內的環形分配器控制繞組通斷電的方式）。
（3）即使是同一臺步進電機，在使用不同驅動方案時，其矩頻特性也相差很大。
（4）步進電機與其它電動機不同，其標稱額定電壓和額定電流只是參考值；又因為步進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，步進電機可以超出其額定值范圍工作。但選擇時不應偏離額定值太遠。
（5）步進電機外表允許的最高溫度： 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應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。
（6）步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降：當步進電機轉動時，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，從而導致力矩下降。
（7）步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定頻率就無法啟動,并伴有嘯叫聲。
步進電機有一個技術參數：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，可能發生丟 步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻 （電機轉速從低速升到高速）。
（8）四相混合式步進電機一般由兩相驅動器來驅動，因此，連接時可以采用串聯接法或并聯接法將四相電機接成兩相使用。串聯接法一般在電機轉速較 低的場合使用，此時需要的驅動器輸出電流為電機相電流的0.7倍，因而電機發熱小；并聯接法一般在電機轉速較高的場合使用（又稱高速接法），所需要的驅動 器輸出電流為電機相電流的1.4倍，因而電機發熱較大。
（9）混合式步進電機驅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），電源電壓通常根據電機的工作轉速和響應要求來選擇。如果電機工作轉速較高或響應要求較快，那么電壓取值 也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅動器的大輸入電壓，否則可能損壞驅動器。
（10）供電電源電流一般根據驅動器的輸出相電流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；如果采用開關電源，電源電流一般可取I 的1.5～2.0倍。
（11）當脫機信號FREE為低電平時，驅動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉子處于自由狀態（脫機狀態）。在有些自動化設備中，如果在驅動器 不斷電的情況下要求直接轉動電機軸（手動方式），就可以將FREE信號置低，使電機脫機，進行手動操作或調節。手動完成后，再將FREE信號置高，以繼續 自動控制。
（12）用簡單的方法調整兩相步進電機通電后的轉動方向，只需將電機與驅動器接線的A+和A-（或者B+和B-）對調即可。
10、步進電機驅動器的一些特點：
（1）構成步進電機驅動器系統的專用集成電路：
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、只含功率驅動（或包含電流控制、保護電路）的驅動器集成電路：如日本新電元工業公司的MTD1110（四相斬波驅動）和MTD2001（兩相、H橋、斬波驅動）。
D、將脈沖分配器、功率驅動、電流控制和保護電路都包括在內的驅動控制器集成電路，如東芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。
（2）“細分驅動”概述：
概念：
將“電機固有步距角”細分成若干小步的驅動方法，稱為細分驅動，細分是通過驅動器精確控制步進電機的相電流實現的，與電機本身無關。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生的磁場合力，會 使轉子有N個新的平衡位置（形成N個步距角）。
最新技術發展：
國內外對細分驅動技術的研究十分活躍，高性能的細分驅動電路，可以細分到上千甚至任意細分。目前已經能夠做到通過復雜的計算使細分后的步距角均勻一致，大大提高了步進電機的脈沖分辨率，減小或消除了震蕩、噪聲和轉矩波動，使步進電機更具有“類伺服”特性。
對實際步距角的作用：在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足自己對步距角的要求。如果使用細分驅動器，則用戶只需在驅動器上改變細分數，就可以大幅度改變實際步距角，步進電機的‘相數’對改變實際步距角的作用幾乎可以忽略不計。
采用細分技術與步進電機精度提高的關系：步進電機的細分技術實質上是一種電子阻尼技術，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 運轉精度只是細分技術的一個附帶功能。細分后電機運轉時對每一個脈沖的分辨率提高了，但運轉精度能否達到或接近脈沖分辨率還取決于細分驅動器的細分電流控 制精度等其它因素。不同廠家的細分驅動器精度可能差別很大；細分數越大精度越難控制。
真正的細分對驅動器要有相當高的技術要求和工藝要求，成本亦會較高。國內有一些驅動器采用對電機相電流進行“平滑”處理來取代細分，屬于“假細分”，“平滑”并不產生微步，會引起電機力矩的下降。真正的細分控制不但不會引起電機力矩的下降，相反，力矩會有所增加。
生產廠家對步進電機驅動系統的通俗表述如下：
步進電機是一個把電脈沖轉換成離散的機械運動的裝置，與其匹配的驅動器共同組成一個可控的步進電機運動系統，具有良好的數據控制特性。在接受來自控制器 （PLC、單片機等可編程處理器）的工作指令（開關脈沖信號）時，其驅動器依據工作指令向定子繞組有序勵磁，使定子內部建立一個實時響應的脈動的、非連貫 性變化的磁場，并作用于周邊帶有很多小齒的轉子，使轉子產生旋轉運動，即施加 一個脈沖，馬達轉動一步。在理想的情況下，其轉子旋轉的速度、累計旋轉角度完全同步于控制器輸入的脈沖頻率及脈沖數，因而，只需在規定的時間內向步進電機 運動系統提供有效的工作指令，轉子將會被準確地驅動到設定的角度位置，在進一步的工作指令到來之前，始終保持在該位置。
步進電機的雙向驅動、固有的剎車制動性能、可適當調整的輸出扭矩、功率控制、精確的位置度、高分辨率、良好的數字交互界面，且僅采用開環控制即能達到良好 的使用效果等是其顯著的優勢。而且與伺服系統比較，其單位體積輸出功率大、轉動慣量小、無漂流及起動峰涌現象、無位置累積誤差等良好優點，是一種成本低廉 的數字控制類電機。
正由于具備以上固有的優點，在眾多領域已奠定了其應用地位，并被廣泛應用于需要控制旋轉角度、速度、位置和同步性的諸多領域，如辦公室自動化、安防、醫療設備，紡織品機器、舞臺燈光、販賣機與售票機，機械自動化等。
選用步進電機時應注意以下幾點：
1、一般應選用力矩比實際需要大百分之五十到百分之百的步進電機，因為步進電機不能過負載運行，即便是瞬間過載都可能造成失步、停轉或不規則原地來回作動。
2、上位控制器輸入的脈沖電流必須夠大（一般要>10mA），以確保光電耦合器穩定導通，否則會導致步進電機失步；如果輸入脈沖頻率過高，會因個別脈沖接收不到，導致步進電機失步。
3、啟動頻率不應太高，應在啟動程序中設置加速過程，即從規定的啟動頻率開始，加速到設定頻率，否則就可能不穩定，甚至處于惰態。
4、電機如果未固定好，造成強烈共振，也會導致步進電機失步。
5、應了解步進電機的固有弱點：輸入脈沖頻率過高，易導致丟步；輸入脈沖頻率過低，易出現共振；轉速偏高時扭矩降低明顯。
6、應了解最新型步進電機的性能，必要時選用采用了最新控制技術的高級步進電機系統，高級系統既可以使步進電機在高速狀態下減少共振，還能運用減少步進電機反電動勢的技術，增加電機在高速狀態下的扭矩。
選用步進電機驅動器應注意以下幾點：
1、使用步進電機驅動器注意事項
1）電源電壓要合適（過壓可能造成驅動模塊的損壞），直流輸入的+/-極性不得接錯，驅動控制器的電流設定值應該合適（開始時不要太大）；
2）控制信號線接牢靠，工業環境下應考慮屏蔽問題（如采用雙絞線）；
3）不要一開始就把所有線全接上，可先進行最基本系統的連接，確認運行良好后再完成全部連接。
4）必須事先確認好接地端和浮空端。
5）剛開始運行時，仔細觀察電機的聲音和溫升情況，發現異常應立即停機調整。
2、一般步進電機驅動器識別的最低脈沖脈寬和2細分下的最高接受頻率
一般識別的最低脈沖脈寬不少于2微秒，2細分下的最高接受頻率為40khz左右
3、步進電機驅動器的一般故障現象
不工作，丟步（也許電機力不夠），時走時停，大小步，震動大，抖動明顯，亂轉，缺相等。
選用步進電機控制器應注意以下幾點：
1、步進電機的驅動電路根據控制信號工作，控制信號由單片機（或其它如PLC等）產生。其基本原理作用如下：
(1)控制換相順序
通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C－D,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。
(2)控制步進電機的轉向
如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。
(3)控制步進電機的速度
如果給步進電機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。
2、PLC與步進電機驅動器接線指南：
q0.0---->控制脈沖 q0.2---->控制方向 L+---->共陽端 L+與pul+、dir+相接
q0.0 ----->控制脈沖與pul-連接 q0.2----->控制方向與dir-連接
注意脈沖和方向均串1k電阻
選用步進馬達IC應注意以下兩點：
1、選用高集成度、技術成熟的最新馬達IC產品，有利于加快電子類運動控制產品更新換代的速度，有利于降低產品開發的難度，有利于拓寬單一產品的實際應用范圍，有利于提高產品的性價比。
2、目前技術領先的高集成度馬達IC產品主要有，德國TRINAMIC運動控制產品、東芝馬達IC產品等，這些廠家步進馬達IC的共同特點是體積小、集成度高、運行穩定、性價比高、供貨渠道穩定多元。
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