1.1  步進(jìn)電動機(jī)和步進(jìn)驅(qū)動器的性能和作用概述

1、步進(jìn)電動機(jī)的性能和工作方式

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的一位電動元件，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器每接收一個(gè)脈沖控制信號，即驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度（步距角），故稱為步進(jìn)電機(jī)。非過載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。利用這一線性關(guān)系，可以通過控制給定信號的脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時(shí)可以控制脈沖頻率來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，達(dá)到調(diào)速的目的。與普通電機(jī)相比，即具有調(diào)速性能，又具有較精確的定位功能，而且低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩較大，調(diào)速范圍也更寬。

在速度和位置控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，其步距角不會因電壓、電流、溫度等因素而波動，可以做到快速啟動、反轉(zhuǎn)和制動。在機(jī)械制造、印刷、化工等工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用也極為廣泛。

1）兩相步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

目前常用的有兩相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。相數(shù)，是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同。下面以以兩相步進(jìn)電機(jī)為例，對其結(jié)構(gòu)和工作原理作一簡要說明。

圖1-1 二相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)與繞組電流回路圖

步距角為0.9/1.8，即整步為1.8°，半步為0.9°。一臺步進(jìn)電機(jī)，相數(shù)（繞組數(shù)）是固定不變的，但可運(yùn)行于二相四拍或二相八拍的兩種運(yùn)行模式下。當(dāng)運(yùn)行于二相四拍模式下時(shí)，步矩角為1.8°，運(yùn)行于二相八拍模式下時(shí)，步矩角為0.9°。當(dāng)采用帶細(xì)分的步進(jìn)驅(qū)動器時(shí)，其步矩角根據(jù)細(xì)分設(shè)定值而有更大范圍的變化。

步進(jìn)電機(jī)的拍數(shù)：完成一個(gè)磁場周期變化所需要脈沖數(shù)（繞組導(dǎo)電狀態(tài)），指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角

所需脈沖數(shù)。上圖為二相四拍運(yùn)行模式下的繞組電流回路圖，K1-K4四只開關(guān)按一定次序通斷——若為基本步單激勵方式——任一時(shí)刻總是兩只開關(guān)閉合，只形成一相電流，則形成IAB→ICD→IBA→IDC按四拍規(guī)律變化的繞組電流；若為兩相激勵方式——同時(shí)形成兩相繞組電流，則形成IAB、ICD→IBA 、ICD→IBA、IDC→IAB、IDC按四拍規(guī)律變化的繞組電流。

如控制K1-K4開關(guān)按規(guī)律開通，使之形成按IAB→IAB、ICD→ICD→IBA→ICD→IBA→IAB、IDC→IDC→IAB、IDC按8拍變化的繞組電流，則可使步進(jìn)電機(jī)工作于二相八拍的工作模式之下。實(shí)際的驅(qū)動電路——步進(jìn)驅(qū)動器，即是將K1-K4換成了晶體管開關(guān)元件，控制其通斷規(guī)律，完成對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動任務(wù)。

步進(jìn)電機(jī)須由步進(jìn)驅(qū)動器（由電子電路構(gòu)成）驅(qū)動，因而其工作模式和步矩角的大小，取決于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的相關(guān)設(shè)置。

2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的基本參數(shù)和特性

a、供電電源，可據(jù)所驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的電源規(guī)格進(jìn)行選擇。交流電源供電的，如AC80V，可用220V市電經(jīng)降壓變壓器，提供給驅(qū)動器。選用變壓器時(shí)，須同時(shí)考慮電壓和電流兩方面的工作參數(shù)。如電流值3A，由算式80V×3A=240VA得出的是視在功率值，達(dá)不到3A的實(shí)際輸出能力，應(yīng)將計(jì)算結(jié)果再乘以1.5以上的系數(shù)，選用220/80V，400VA以上的變壓器，作為電源輸入。二相電機(jī)的供電一般為12～48V，

b、輸出電流值。產(chǎn)品標(biāo)注值往往為峰能輸出能力，選用時(shí)，比較低應(yīng)按步進(jìn)電機(jī)額定電流值的2倍以上。

輸出電流的檔位，一般操作面板上的撥碼開關(guān)進(jìn)行人工整定，如0.9A-3A。這也是一種過載保護(hù)整定，整定值可參考步進(jìn)電機(jī)的工作電流值。一般有8級整定檔次。

c、勵磁方式：整步、半步、4細(xì)分、8細(xì)分、16細(xì)分、32細(xì)分、64細(xì)分。半步實(shí)際上是2細(xì)分，細(xì)分級別越高，步矩角越小，而電機(jī)轉(zhuǎn)速越低。步進(jìn)驅(qū)動器的控制面板，也設(shè)有細(xì)分撥碼開關(guān)，也對細(xì)分值進(jìn)行設(shè)置。

　　d、保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）：

是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)比較重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)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(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)比較重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。
   2、步進(jìn)驅(qū)動器的電路構(gòu)成和工作原理

1）步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的電路構(gòu)成

圖2-2 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的電路構(gòu)成

步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的電路構(gòu)成如上圖。整流電路將輸出AC電源，整流濾波為直流電壓，提供穩(wěn)壓電源的供電，并作為逆變功率電路的輸入電源。部分小功率步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器，直接取用外供直流電源，省去了整流電路這一環(huán)節(jié)。控制電路以單片機(jī)（CPU）為核心，接收輸入端子進(jìn)入的控制信號，和過流檢測電路輸入的保護(hù)信號，輸出逆變電路所需的信號脈沖，并經(jīng)脈沖驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大，驅(qū)動逆變功率電路的CMOS（或IGBT）功率開關(guān)管，使負(fù)載電動機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)步進(jìn)動作。逆變功率電路，有些機(jī)型是由單管分立零件組成，有些則與整流電路等集成于一個(gè)功率模塊內(nèi)部。

2）步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器與步進(jìn)電動機(jī)和控制線路的連接

下圖2-3為兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的接線圖，控制設(shè)備可以是PLC的輸出回路，也可以是其它電器設(shè)備。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器比較重要的控制信號有兩個(gè)：脈沖信號和方向信號。脈沖信號決定步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，方向信號，決定步進(jìn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。不僅僅是PLC，任何設(shè)備只要能給出這兩個(gè)控制信號，便能控制步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)、轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。從脈沖信號輸入腳輸入的是頻率可變的、脈沖個(gè)數(shù)可控的脈沖信號，這種信號可由純硬件電路或軟件程序生成；方向信號則為常規(guī)開關(guān)量信號。下面對步時(shí)電機(jī)驅(qū)動器的幾個(gè)控制信號及其它接線做一簡要的說明。

圖2-3 二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接線圖

a、脈沖信號輸入端（CP）：由控制設(shè)備發(fā)送脈沖個(gè)數(shù)與頻率可變化的控制脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，步進(jìn)距離；信號要求為矩形脈沖，脈沖寬度不低于6-10μs，信號間隔大于6-10μs，低電平幅值0-1V，高電平幅值達(dá)4-6V。工作方式，一般為脈沖邊沿觸發(fā)，每輸入一個(gè)脈沖信號，電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角（步進(jìn)一次）。

b、方向信號輸入端（CW/CCW）：輸入開關(guān)量電壓信號。端子開路狀態(tài)下，為靜態(tài)高電平，CP端子有脈沖信號輸入時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；控制信號生效使方向輸入端為低電平時(shí)，在脈沖信號輸入期間，反轉(zhuǎn)。

注意：該端子控制回路，接通與斷開與否，步進(jìn)電機(jī)都有可能運(yùn)轉(zhuǎn)，只是運(yùn)轉(zhuǎn)方向不同罷了。機(jī)型不同，對應(yīng)正、反轉(zhuǎn)的電平值可能有所不同。如有的CW/CWW端子為高電平時(shí)，反轉(zhuǎn)。

這兩個(gè)控制端子一般為必接端子，即使只需一個(gè)轉(zhuǎn)向。接入方向控制的目的，在單轉(zhuǎn)向時(shí)，相當(dāng)于啟/停信號。

c、脫機(jī)信號輸入端（FREE）：FREE指通電運(yùn)行前步時(shí)進(jìn)電機(jī)的靜止力矩（鎖定轉(zhuǎn)子力矩）。一般步進(jìn)驅(qū)動器，在脈沖信號無輸出時(shí)，仍輸出一靜態(tài)直流電壓，產(chǎn)生靜止力矩以鎖住轉(zhuǎn)子不動。而當(dāng)有脫機(jī)信號時(shí)解除自鎖功能，轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)并且不響應(yīng)脈沖信號輸入。

在不斷電情況下，要手動調(diào)整轉(zhuǎn)子位置時(shí)，為步進(jìn)驅(qū)動器輸入脫機(jī)信號，可使轉(zhuǎn)子解除鎖定狀態(tài)，進(jìn)行手動操作或調(diào)節(jié)，調(diào)整完畢后，再解除脫機(jī)信號。
   注意：有些步進(jìn)驅(qū)動器，該端子定義為HOLD（勵磁控制信號輸入），端子接通狀態(tài)下，有轉(zhuǎn)子鎖定力矩產(chǎn)生，步進(jìn)電機(jī)允許運(yùn)行。端子開路狀態(tài)下，反而為脫機(jī)狀態(tài)。
  d、故障信號輸出端（ERR）：為開路集電極輸出或接點(diǎn)輸出方式，在過流、欠壓、過壓、電機(jī)連線接錯等故障發(fā)生時(shí)，步時(shí)驅(qū)動器停止輸出，同時(shí)發(fā)出故障報(bào)警信號。操作面板還有各種運(yùn)行、故障指示燈，配合顯示步進(jìn)驅(qū)動器的工作狀態(tài)。

e、輸出接線端（A+/A-/B+/B-）與步進(jìn)電機(jī)的繞組引線對應(yīng)相連接。改變電機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，除改變CW/CCW端子信號外，也可以用改變輸出端子的方法來改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，將A+、A-端子互調(diào)，便使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向改變。

f、供電電源端（AC80V或DC40V）：直流供電時(shí)，可采用儀用開關(guān)電源，注意電流供給能力應(yīng)大于步進(jìn)電機(jī)的2倍；交流供電時(shí)，可采用220V/80V或380V/80V降壓變壓器，電流供給能力應(yīng)大于步進(jìn)電機(jī)的1.5倍以上。如果負(fù)載較輕，轉(zhuǎn)速也要求較低，而步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器的供電電壓范圍又寬，可以適當(dāng)降低電源供電電壓，以延長電機(jī)和驅(qū)動器的壽命。

3、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器檢修電路

1-4 二相步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的檢修電路

   可以用NE555時(shí)基電路做一個(gè)簡單的振蕩器，作為步進(jìn)電動機(jī)的脈沖調(diào)速信號。步進(jìn)驅(qū)動器需要AC220V電源時(shí)，建議用隔離變壓器隔離后送入，以保障檢修過程中的人身安全；如手頭有步進(jìn)電動機(jī)比較好，若無，可接入照明燈泡兩只，用作輸出指示，或直接用萬用表測量判斷輸出狀態(tài)；步進(jìn)電動機(jī)的端子輸入信號回路（內(nèi)部電路為光耦合器），需外供電源。一般要求為5V電壓級別。當(dāng)信號回路的電壓高于5V時(shí)，需串接限流電阻，如上圖中串接的R2、R3電阻，以避免內(nèi)部器件產(chǎn)生損壞。方向信號端子，可以空置，也可以接信號電源地，以試驗(yàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制信號是否有效；無脈沖發(fā)生器時(shí)，可為控制端子提供控制電源，如12V，將R2瞬時(shí)對地短接一次，步進(jìn)電動機(jī)輸出端的燈光應(yīng)該產(chǎn)生一次閃爍動作。步進(jìn)驅(qū)動器上電后，因轉(zhuǎn)矩保持功能生效，兩只燈光均處于微亮狀態(tài)，有一定電壓輸出。轉(zhuǎn)速信號輸入時(shí)，燈泡的亮度上升，并且燈泡的閃爍頻率隨給定脈沖信號的變化而變化。變頻器維修  15515598858   網(wǎng)址：m.cntjjp.com.cn