步进电机及驱动器原理

步进电机及驱动器原理步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自 动化设备中。步进电机和普通电动机不同之处在于它是一种将电脉冲信号转化为 角位移的执行机构，它同时完成两个工作：一是传递转矩，二是控制转角位置或 速度。1 .步进电机工作原理图1为两相步进电机的工作原理示意图，它有2个舞组.当一个绕组通电后， 其定子磁极产生磁场，将转子吸合到此磁极处.若绕组在控制脉冲的作用下，通电方 向顺序按照- BBBB四个状态周而复始进行变化，电机可顺时针转动，通电时序为 疝一曲 时，电机就逆时针转动，控制脉冲每隹用,一次，通电方向就变化一次，使电机转动一步，即90度。4个脉冲，电机转动一氤 脉冲频率越高，电机转动越快.步进电机的输出力矩与电机的有效体积、线圈匝数，磁通量，电液成正比，因此， 电机有效体积越大，线圈匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然.2 .步进电机结构蝇钉,前戢堇*转手帙芯一轮子铁他一辕承图1.2步进电机结构图3 .驱动器原理步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用是对控制脉冲进步进电机方向信号Vcc工行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动。控制器jltl脉冲信号图1.3步进电机控制系统以两相步进电机为例，当给驱动器一个脉冲信号和一个正方向信号时，驱动 器经过环形分配器和功率放大后，给电机绕组通电的顺序为，其四个状态周而复 始进行变化，电机顺时针转动；若方向信号变为负时，通电时序就变为，电机就逆时针转动。单元线路y _L fl -; i -K + XI/ -(c)截止时lb)导通时定子NC转子.4步进电机驱动电路原理任审俚图1.4 ,当T导通R艇林曲奉都映的乐当部B相绕组同时通电时，转子将停在A、B相磁极中间如果，喇不碾M,感欣电动新声0,则：若通电方向顺序按照fB + AA8个脉冲组电流降低到某一下限值时，电流检测回路发出信号,控制高压开关鬲忏逋，让使蛰崛至海上?；廿骚幽到上限W时： 高压电源又自4断开。重复上囱程,8使整组粒流和平房值和F电流制形的波顶维持 值L 机决）图小压瓜M低城段f作南JL高压再次在预定娄:作用在绕组上、,、频段力矩增於值上，解决了高低送电电流下凹的情版B相产生B相线圈步进电机一定时,进电机转速越高、力矩越大；在驱;%/I供给驱凝器W电压值对电机性能狡疝较大，电压越高，步,.、,嫌上一般设有悌奄流调节开关，相电流设的典电子技术的发展，功率放大电路由单电压电路、高低压电路发展到现在 的斩波北花具基本原理是：在电机绕组回路中，串联一个电流检测回路，用?二越大，步进电机转速越高、力矩越大 国44 .细分控制原理广为了提.叶进电机的性能，细分驱动器已经/乏应瞪细分%S器就原爆通室改警A可B相电而Cf大，以改变d成磁荡的义角，从而出将“个步曲角细1分为少步。量 3z 11;? a 4 a 图1.7步进电机细分原理图图LU 4细分时,hR线圈电流大小与角度的关系细分数越高，电流越平滑，电机转动就越平稳。驱动器一般都具有细分功能， 常见的细分倍数有：1/2 , 1/4 ,1/8 ,1/16 , 1/32 ,1/64 , 1/256 ;或：1/5 ,1/10 , 1/20。细分后步进电机步距角按下列方法计算：步距角=电机固有步距角/细分数例如：一台1.80电机设定为4细分，其步距角为1.8 0 / 4 = 0.45 0 o当细分等级大于1/4后，电机的定位精度并不能提高，只是电机转动更平稳。5 .步进电机的术语及特点相数：产生不同对极N、S磁场的励磁线圈对数。 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移。一般二相电机的步距角为1.8度，即电机运动200步为一周。静力矩（HOLDING TORQUE ）:是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重 要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近于静力矩。定位力矩（DETENT TORQUE ）:是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：（误差/步距角）父100%。步进角的误差不累积。最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接 起动的最大频率。最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高运行频率。相电流：电机绕组所通过的电流。电机矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与脉冲频率关系的曲线称为电 机矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的， 也是电机选择的根本依据。如 图2.2所示，在低速时的电机力矩接近静转矩，随着电机转速增加，感应电动势.加大，削弱了外加电压的作用，使电机输矩减小玉最高；曲线1电流最小、或电压最低,四相感应子式步进电机的共振区一般在 /驱动电压越高，电机电流越大，负载图1.10中，曲线3电流最大、或电, 曲线与负载的交点为负载的最大速度点。 电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、 180-250Pps之间（步距角1.8度）。电失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。丢步（失步）：控制器给电机发了 n个脉冲，步进电机并没有转动n个步距角。一般当电 机力矩偏小、加速度偏大、速度偏高、摩擦力不均匀等都会是丢步现象发生。步进电机的类型：现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（ VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5度，但 噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成， 定子上有多相 励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩；混合式步进电机是指综合了永磁式和反应式的优点而设计的步进电机。 它又 分为两相、三相和五相：两相步进角一般为 1.8度，三相步进角一般为1.2度， 而五相步进角一般为0.72度。6 .步进电机及驱动器接线1）步进电机线圈的用、并联许多2相步进电机有8根引线，这种电机既可以串联连接又可以并联连接。串联连接的电机，线圈长度增加，力矩较大；并联连接的电机，电感较小， 所以启动、停止速度较快。注意：通过对调A和A在驱动器上的位置，电机就会反转。2）用万用表确认线圈极性在没有电机说明书时，可以用万用表确认电机 8引线的极性，方法如下：A.先用万用表测量8个引线之间的电阻，可判断出4组线圈引线；B.由于只接1、6, 2、8或1、6, 7、4二个线圈电机也能正常转动，所 以，在4个线圈中任选2个，接在驱动器上；如果电机不转，说明这2组线圈是A相线圈；另外2个线圈是B相的2个 线圈；如果电机转动，说明这2个线圈一个是A相，一个是B相线圈；C.接2组线圈让电机转动后，再从剩下的 2个线圈中任选一个线圈，串联 在A相线圈上，如果电机电机正常转动了，说明该线圈是 A相的另一个线圈；如果电机不转，将这个线圈的正负对调后再试一次， 如果电机还不转，说明 该线圈是B相的另一个线圈。D.用上述同样方法，可以确定最后一个线圈的极性。3）步进电机驱动器的接线：光电隔离元件的作用：电气隔离，抗干扰。控制信号有3种接法：共阳极接法、共阴极接法、差分信号接法。不管 什么接法都要确保驱动器光耦的电流在 1015mA范围内；否则，电流 过小，驱动器工作不可靠、不稳定，会有丢步等问题；电流过大，会损 坏驱动器。