【導(dǎo)讀】步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)控制中有著舉足輕重的地位，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師難免會(huì)遇到各種讓人糾結(jié)、疑惑的問(wèn)題。本次半月談集網(wǎng)友之智慧，詳細(xì)講解步進(jìn)電機(jī)多種驅(qū)動(dòng)方式、以及在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題以及考慮的因素。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式有很多種，下文就分別講解恒電壓驅(qū)動(dòng)方式和恒電流斬波驅(qū)動(dòng)方式的不同之處。
恒電壓驅(qū)動(dòng)方式
單電壓驅(qū)動(dòng)
單電壓驅(qū)動(dòng)是指在電機(jī)繞組工作過(guò)程中，只用一個(gè)方向電壓對(duì)繞組供電。如圖1所示，L為電機(jī)繞組，VCC為電源。當(dāng)輸入信號(hào)In為高電平時(shí)，提供足夠大的基極電流使三極管T處于飽和狀態(tài)，若忽略其飽和壓降，則電源電壓全部作用在電機(jī)繞組上。當(dāng)In為低電平時(shí)，三極管截止，繞組無(wú)電流通過(guò)。
圖1 單電壓驅(qū)動(dòng)原理圖
為使通電時(shí)繞組電流迅速達(dá)到預(yù)設(shè)電流，串入電阻Rc；為防止關(guān)斷T時(shí)繞組電流變化率太大，而產(chǎn)生很大的反電勢(shì)將T擊穿，在繞組的兩端并聯(lián)一個(gè)二極管D和電阻Rd，為繞組電流提供一個(gè)泄放回路，也稱“續(xù)流回路”。
單電壓功率驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元件少、成本低、可靠性高。但是由于串入電阻后，功耗加大，整個(gè)功率驅(qū)動(dòng)電路的效率較低，僅適合于驅(qū)動(dòng)小功率步進(jìn)電機(jī)。
高低壓驅(qū)動(dòng)
為了使通電時(shí)繞組能迅速到達(dá)設(shè)定電流，關(guān)斷時(shí)繞組電流迅速衰減為零，同時(shí)又具有較高的效率，出現(xiàn)了高低壓驅(qū)動(dòng)方式。
圖2 高低壓驅(qū)動(dòng)原理圖
如圖2所示，Th、T1分別為高壓管和低壓管，Vh、V1分別為高低壓電源，Ih、I1分別為高低端的脈沖信號(hào)。在導(dǎo)通前沿用高電壓供電來(lái)提高電流的前沿上升率，而在前沿過(guò)后用低電壓來(lái)維持繞組的電流。高低壓驅(qū)動(dòng)可獲得較好的高頻特性，但是由于高壓管的導(dǎo)通時(shí)間不變，在低頻時(shí)，繞組獲得了過(guò)多的能量，容易引起振蕩?？赏ㄟ^(guò)改變其高壓管導(dǎo)通時(shí)間來(lái)解決低頻振蕩問(wèn)題，然而其控制電路較單電壓復(fù)雜，可靠性降低，一旦高壓管失控，將會(huì)因電流太大損壞電機(jī)。
相關(guān)閱讀：1、解析步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱問(wèn)題及解決方法
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2、對(duì)比分析：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)缺點(diǎn)
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3、步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)與的6個(gè)不同點(diǎn)
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恒電流斬波驅(qū)動(dòng)方式
自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)
圖3為自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)框圖。把步進(jìn)電機(jī)繞組電流值轉(zhuǎn)化為一定比例的電壓，與D／A轉(zhuǎn)換器輸出的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，控制功率管的開(kāi)關(guān)，從而達(dá)到控制繞組相電流的目的。從理論上講，自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)可以將電機(jī)繞組的電流控制在某一恒定值。但由于斬波頻率是可變的，會(huì)使繞組激起很高的浪涌電壓，因而對(duì)控制電路產(chǎn)生很大的干擾，容易產(chǎn)生振蕩，可靠性大大降低。
圖3 自激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)框圖
它激式恒電流斬波驅(qū)動(dòng)
為了解決自激式斬波頻率可變引起的浪涌電壓?jiǎn)栴}，可在D觸發(fā)器加一個(gè)固定頻率的時(shí)鐘。這樣基本上能解決振蕩問(wèn)題，但仍然存在一些問(wèn)題。比如：當(dāng)比較器輸出的導(dǎo)通脈沖剛好介于D觸發(fā)器的2個(gè)時(shí)鐘上升沿之間時(shí)，該控制信號(hào)將丟失，一般可通過(guò)加大D觸發(fā)器時(shí)鐘頻率解決。
細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式
這是本文討論的重點(diǎn)，也是該系統(tǒng)采用的驅(qū)動(dòng)方法。細(xì)分驅(qū)動(dòng)最主要的優(yōu)點(diǎn)是步距角變小，分辨率提高，且提高了電機(jī)的定位精度、啟動(dòng)性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩；其次，減弱或消除了步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，降低了步進(jìn)電機(jī)在共振區(qū)工作的幾率。可以說(shuō)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的一個(gè)飛躍。
細(xì)分驅(qū)動(dòng)是指在每次脈沖切換時(shí)，不是將繞組的全部電流通入或切除，而是只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，電動(dòng)機(jī)的合成磁勢(shì)也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分。細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，繞組電流不是一個(gè)方波而是階梯波，額定電流是臺(tái)階式的投入或切除。比如：電流分成n個(gè)臺(tái)階，轉(zhuǎn)子則需要n次才轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，即n細(xì)分，如圖4所示。
圖4 二相電機(jī)細(xì)分電流階梯波
一般的細(xì)分方法只改變某一相的電流，另一相電流保持不變。如圖所示，在O°～45°，Ia保持不變，Ib由O逐級(jí)變大；在45°～90°，Ib保持不變，Ia由額定值逐級(jí)變?yōu)?。該方法的優(yōu)點(diǎn)是控制較為簡(jiǎn)單，在硬件上容易實(shí)現(xiàn)；但由圖5所示的電流矢量合成圖可知，所合成的矢量幅值是不斷變化的，輸出力矩也跟著不斷變化，從而引起滯后角的不斷變化。當(dāng)細(xì)分?jǐn)?shù)很大、微步距角非常小時(shí)，滯后角變化的差值已大于所要求細(xì)分的微步距角，使得細(xì)分實(shí)際上失去了意義。
這就是目前常用的細(xì)分方法的缺陷，那么有沒(méi)有一種方法讓矢量角度變化時(shí)同時(shí)保持幅值不變呢?由上面分析可知，只改變單一相電流是不可能的，那么同時(shí)改變兩相電流呢?即Ia、Ib以某一數(shù)學(xué)關(guān)系同時(shí)變化，保證變化過(guò)程中合成矢量幅值始終不變?；诖耍疚慕⒁环N“額定電流可調(diào)的等角度恒力矩細(xì)分”驅(qū)動(dòng)方法，以消除力距不斷變化引起滯后角的問(wèn)題。如圖6所示，隨著A、B兩相相電流Ia、Ib的合成矢量角度不斷變化，其幅值始終為圓的半徑。
圖5 二相電機(jī)相電流矢量合成圖
圖6 電流可控的等角度恒力矩細(xì)分
下面介紹合成矢量幅值保持不變的數(shù)學(xué)模型：當(dāng)Ia=Im·cosx，Ib=Im·sinx時(shí)(式中Im為電流額定值，Ia、Ib為實(shí)際的相電流，x由細(xì)分?jǐn)?shù)決定)，其合成矢量始終為圓的半徑，即恒力距。
等角度是指合成的力臂每次旋轉(zhuǎn)的角度一樣。額定電流可調(diào)是指可滿足各種系列電機(jī)的要求。例如，86系列電機(jī)的額定電流為6～8 A，而57系列電機(jī)一般不超過(guò)6 A，驅(qū)動(dòng)器有各種檔位電流可供選擇。細(xì)分為對(duì)額定電流的細(xì)分。
為實(shí)現(xiàn)“額定電流可調(diào)的等角度恒力距”，理論上只要各相相電流能夠滿足以上的數(shù)學(xué)模型即可。這就要求電流控制精度非常高，不然Ia、Ib所合成的矢量角將出現(xiàn)偏差，即各步步距角不等，細(xì)分也失去了意義。
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步進(jìn)電機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。
1、步距角的選擇
電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度（三相電機(jī)）等。
2、靜力矩的選擇
步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸）
3、電流的選擇
靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流。
4、力矩與功率換算
步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)衡量，力矩與功率換算如下：
p= ω·m
ω=2π·n/60
p=2πnm/60
其p為功率單位為瓦，ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，m為力矩單位為牛頓·米
p=2πfm/400(半步工作）
其中f為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱pps)
步進(jìn)電機(jī)在應(yīng)用中的注意點(diǎn)
1、步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過(guò)1000轉(zhuǎn)，（0.9度時(shí)6666pps)，最好在1000-3000pps(0.9度）間使用，可通過(guò)減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。
2、步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。
3、由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12v電壓的電機(jī)使用12v外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動(dòng)電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓（建議：57byg采用直流24v-36v，86byg采用直流50v,110byg采用高于直流80v），當(dāng)然12伏的電壓除12v恒壓驅(qū)動(dòng)外也可以采用其他驅(qū)動(dòng)電源， 不過(guò)要考慮溫升。
4、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號(hào)電機(jī)。
5、電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。
6、高精度時(shí)，應(yīng)通過(guò)機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)解決，也可以采用5相電機(jī)，不過(guò)其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說(shuō)法是外行話。
7、電機(jī)不應(yīng)在振動(dòng)區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過(guò)改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。
8、電機(jī)在600pps（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)。
9、應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。
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步進(jìn)電機(jī)調(diào)速注意特點(diǎn)
步進(jìn)電機(jī)高速不能直接使用普通的交直流電源，需要專用的伺服控制器，應(yīng)注意以下特點(diǎn)：
1、可以用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單廉價(jià)，位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)既簡(jiǎn)單又具有一定的精度； 在要求更高精度時(shí)，也可以采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。
2、由于步進(jìn)電機(jī)無(wú)刷，因此本體部件少，可靠性高。
3、易于起動(dòng)，停止，正反轉(zhuǎn)，速度響應(yīng)性好；停止時(shí)一般有自鎖能力。
4、步距角可在大范圍內(nèi)選擇，在小步距情況下，能夠在超低轉(zhuǎn)速下高轉(zhuǎn)距穩(wěn)定運(yùn)行，可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
5、速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)， 可以用一臺(tái)控制器同時(shí)控制幾臺(tái)步進(jìn)電機(jī)完全同步運(yùn)行。
6、步進(jìn)電機(jī)帶慣性負(fù)載能力較差，由于存在失步和共振問(wèn)題，步進(jìn)電機(jī)的加減速方法在不同的應(yīng)用狀態(tài)下，情況較為復(fù)雜。
步進(jìn)電機(jī)定位不準(zhǔn)怎么辦？
在調(diào)機(jī)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)定位不準(zhǔn)現(xiàn)象怎么辦？一般由以下幾方面原因引起：
1、 改變方向時(shí)丟脈沖，表現(xiàn)為往任何一個(gè)方向都準(zhǔn)，但一改變方向就累計(jì)偏差，并且次數(shù)越多偏得越多；
2、 初速度太高，加速度太大，引起有時(shí)丟步；
3、 在用同步帶的場(chǎng)合軟件補(bǔ)償太多或太少；
4、 馬達(dá)力量不夠；
5、 控制器受干擾引起誤動(dòng)作；
6、 驅(qū)動(dòng)器受干擾引起；
7、 軟件缺陷；
針對(duì)以上問(wèn)題分析如下：
1）一般的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器對(duì)方向和脈沖信號(hào)都有一定的要求，如：方向信號(hào)在第一個(gè)脈沖上升沿或下降沿（不同的驅(qū)動(dòng)器要求不一樣）到來(lái)前數(shù)微秒被確定，否則會(huì)有一個(gè)脈沖所運(yùn)轉(zhuǎn)的角度與實(shí)際需要的轉(zhuǎn)向相反，最后故障現(xiàn)象表現(xiàn)為越走越偏，細(xì)分越小越明顯，解決辦法主要用軟件改變發(fā)脈沖的邏輯或加延時(shí)。
2）由于步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)決定初速度不能太高，尤其帶的負(fù)載慣量較大情況下,建議初速度在1r/s以下，這樣沖擊較小，同樣加速度太大對(duì)系統(tǒng)沖擊也大，容易過(guò)沖，導(dǎo)致定位不準(zhǔn);電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間應(yīng)有一定的暫停時(shí)間,若沒(méi)有就會(huì)因反向加速度太大引起過(guò)沖。
3）根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整被償參數(shù)值，（因?yàn)橥綆椥孕巫冚^大，所以改變方向時(shí)需加一定的補(bǔ)償）。
4）適當(dāng)?shù)卦龃篑R達(dá)電流，提高驅(qū)動(dòng)器電壓（注意選配驅(qū)動(dòng)器），選扭矩大一些的馬達(dá)。
5）系統(tǒng)的干擾引起控制器或驅(qū)動(dòng)器的誤動(dòng)作，我們只能想辦法找出干擾源，降低其干擾能力（如屏蔽，加大間隔距離等），切斷傳播途徑，提高自身的抗干擾能力，常見(jiàn)措施：
①用雙紋屏蔽線代替普通導(dǎo)線，系統(tǒng)中信號(hào)線與大電流或大電壓變化導(dǎo)線分開(kāi)布線，降低電磁干擾能力。
②用電源濾波器把來(lái)自電網(wǎng)的干擾波濾掉，在條件許可下各大用電設(shè)備的輸入端加電源濾波器，降低系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備之間的干擾。
③設(shè)備之間最好用光電隔離器件進(jìn)行信號(hào)傳送，在條件許可下，脈沖和方向信號(hào)最好用差分方式加光電隔離進(jìn)行信號(hào)傳送。在感性負(fù)載（如電磁繼電器、電磁閥）兩端加阻容吸收或快速泄放電路，感性負(fù)載在開(kāi)頭瞬間能產(chǎn)生10~100倍的尖峰電壓，如果工作頻率在20KHZ以上。
6）軟件做一些容錯(cuò)處理，把干擾帶來(lái)影響消除。
