步進電機及驅動器原理

2010年12月06日 11:41:03人氣：15353來源：上海歐沁機電工程技術有限公司

步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化設備中。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化為角位移的執行機構，它同時完成兩個工作：一是傳遞轉矩，二是控制轉角位置或速度。

圖1.2步進電機結構圖

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

圖1.3 步進電機控制系統

，其四個狀態周而復始進行變化，電機順時針轉動；若方向信號變為負時，通電時序就變為,電機就逆時針轉動。

圖1.4步進電機驅動電路原理圖

分析步進電機驅動電路原理圖1.4，當T導通時有：

R為電路中存在的等效電阻。

如果，電機不轉動，感應電動勢E＝0，則：

步進電機一定時，供給驅動器的電壓值對電機性能影響較大，電壓越高，步進電機轉速越高、力矩越大；在驅動器上一般設有相電流調節開關，相電流設的越大，步進電機轉速越高、力矩越大。

4．細分控制原理為了提高步進電機的性能，細分驅動器已經廣泛應用。細分驅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

細分數越高，電流越平滑，電機轉動就越平穩。驅動器一般都具有細分功能，常見的細分倍數有：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 / 細分數
例如：一臺1.8°電機設定為4細分，其步距角為 1.8°/ 4 = 0.45°。
當細分等級大于1/4后，電機的定位精度并不能提高，只是電機轉動更平穩。
相數：產生不同對極N、S磁場的勵磁線圈對數。

步距角：
對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移。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動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機zui重要的參數之一，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，定子鎖住轉子的力矩。
步距角精度：
步進電機每轉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系的曲線稱為電機矩頻特性，這是電機諸多動態曲線中zui重要的，也是電機選擇的根本依據。如圖2.2所示，在低速時的電機力矩接近靜轉矩，隨著電機轉速增加，感應電動勢加大，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域，二、四相感應子式步進電機的共振區一般在180-250pps之間（步距角1.8度）。電機驅動電壓越高，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，不失步和整個系統的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區較多。
丟步（失步）：
控制器給電機發了n個脈沖，步進電機并沒有轉動n個步距角。一般當電機力矩偏小、加速度偏大、速度偏高、摩擦力不均勻等都會是丟步現象發生。
步進電機的類型：
現在比較常用的步進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）和單相式步進電機等。
永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；
反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩；
混合式步進電機是指綜合了永磁式和反應式的優點而設計的步進電機。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．步進電機及驅動器接線
1）步進電機線圈的串、并聯
許多2相步進電機有8根引線，這種電機既可以串聯連接又可以并聯連接。
串聯連接的電機，線圈長度增加，力矩較大；并聯連接的電機，電感較小，所以啟動、停止速度較快。

注意：通過對調A和A在驅動器上的位置，電機就會反轉。

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動，所以，在4個線圈中任選2個，接在驅動器上；
如果電機不轉，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組線圈讓電機轉動后，再從剩下的2個線圈中任選一個線圈，串聯在A相線圈上，如果電機電機正常轉動了，說明該線圈是A相的另一個線圈；
如果電機不轉，將這個線圈的正負對調后再試一次，如果電機還不轉，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動器光耦的電流在10～15mA范圍內；否則，電流過小，驅動器工作不可靠、不穩定，會有丟步等問題；電流過大，會損壞驅動器。

關鍵詞：步進電機驅動器控制器控制系統步進電機驅動

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