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雖然步進電機已被廣泛地應用,但步進電機并不能像普通的直流電機,交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事,它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。

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控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展,步進電機的需求量與日俱增,在各個國民經濟領域都有應用。

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號,它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角）。您可以通過控制脈沖個數來控制角位移量,從而達到準確定位的目的；同時您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。

三相步進電機專用變頻器特點：

低頻轉矩輸出180% ,低頻運行特性良好

輸出頻率最大600Hz,可控制高速電機

全方位的偵測保護功能(過壓、欠壓、過載)瞬間停電再起動

加速、減速、動轉中失速防止等保護功能

電機動態參數自動識別功能,保證系統的穩定性和精確性

高速停機時響應快

豐富靈活的輸入、輸出接口和控制方式,通用性強

采用SMT全貼裝生產及三防漆處理工藝,產品穩定度高

全系列采用最新西門子igbt功率器件,確保品質的高質量

反應式步進電機

由于反應式步進電機工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應式步進電機原理。

1、結構： 電機轉子均勻分布著很多小齒,定子齒有三個勵磁繞阻,其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。 0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以て表示）,即A與齒1相對齊,B與齒2向右錯開1/3て,C與齒3向右錯開2/3て,A'與齒5相對齊,（A'就是A,齒5就是齒1）下面是定轉子的展開圖：

2、旋轉： 如A相通電,B,C相不通電時,由于磁場作用,齒1與A對齊,（轉子不受任何力以下均同）。 如B相通電,A,C相不通電時,齒2應與B對齊,此時轉子向右移過1/3て,此時齒3與C偏移為1/3て,齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。 如C相通電,A,B相不通電,齒3應與C對齊,此時轉子又向右移過1/3て,此時齒4與A偏移為1/3て對齊。 如A相通電,B,C相不通電,齒4與A對齊,轉子又向右移過1/3て 這樣經過A、B、C、A分別通電狀態,齒4（即齒1前一齒）移到A相,電機轉子向右轉過一個齒距,如果不斷地按A,B,C,A……通電,電機就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉。如按A,C,B,A……通電,電機就反轉。 由此可見：電機的位置和速度由導電次數（脈沖數）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。 不過,出于對力矩、平穩、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導電狀態,這樣將原來每步1/3て改變為1/6て。甚至于通過二相電流不同的組合,使其1/3て變為1/12て,1/24て,這就是電機細分驅動的基本理論依據。 不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻,其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制——這是旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機,出于成本等多方面考慮,市場上一般以二、三、四、五相為多。

3、力矩： 電機一旦通電,在定轉子間將產生磁場（磁通量Ф）當轉子與定子錯開一定角度產生力 F與（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br為磁密,S為導磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長度,D為轉子直徑 Br=N·I/R N·I為勵磁繞阻安匝數（電流乘匝數）R為磁阻。 力矩=力*半徑 力矩與電機有效體積*安匝數*磁密 成正比（只考慮線性狀態） 因此,電機有效體積越大,勵磁安匝數越大,定轉子間氣隙越小,電機力矩越大,反之亦然。

感應子式步進電機

一、特點

感應子式與傳統的反應式相比,結構上轉子加有永磁體,以提供軟磁材料的工作點,而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能,因此該電機效率高,電流小,發熱低。因永磁體的存在,該電機具有較強的反電勢,其自身阻尼作用比較好,使其在運轉過程中比較平穩、噪音低、低頻振動小。 感應子式某種程度上可以看作是低速同步的電機。一個四相電機可以作四相運行,也可以作二相運行。（必須采用雙極電壓驅動）,而反應式電機則不能如此。例如：四相,八相運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式.不難發現其條件為C=,D=. 一個二相電機的內部繞組與四相電機完全一致,小功率電機一般直接接為二相,而功率大一點的電機,為了方便使用,靈活改變電機的動態特點,往往將其外部接線為八根引線（四相）,這樣使用時,既可以作四相電機使用,可以作二相電機繞組串聯或并聯使用。

二、分類

感應子式電機以相數可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號（電機外徑）可分為：42BYG(BYG為感應子式步進電機代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標準）,而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內標準。

三、步進電機的靜態指標術語

1、相數：產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數。常用m表示。

2、拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態用n表示,或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數,以四相電機為例,有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

3、步距角：對應一個脈沖信號,電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度/（轉子齒數*運行拍數）,以常規二、四相,轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步）,八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。

4、定位轉矩：電機在不通電狀態下,電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）

5、靜轉矩：電機在額定靜態電作用下,電機不作旋轉運動時,電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積的標準,與驅動電壓及驅動電源等無關。 雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比,與定齒轉子間的氣隙有關,但過分采用減小氣隙,增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的,這樣會造成電機的發熱及機械噪音。

四、動態指標及術語：

1、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*100%。不同運行拍數其值不同,四拍運行時應在5%之內,八拍運行時應在15%以內。

2、失步： 電機運轉時運轉的步數,不等于理論上的步數。稱之為失步。

3、失調角： 轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度,電機運轉必存在失調角,由失調角產生的誤差,采用細分驅動是不能解決的。

4、最大空載起動頻率： 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,能夠直接起動的最大頻率。

5、最大空載的運行頻率： 電機在某種驅動形式,電壓及額定電流下,電機不帶負載的最高轉速頻率。

6、運行矩頻特性： 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性,這是電機諸多動態曲線中最重要的,也是電機選擇的根本依據。如下圖所示： 其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。 電機一旦選定,電機的靜力矩確定,而動態力矩卻不然,電機的動態力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態電流）,平均電流越大,電機輸出力矩越大,即電機的頻率特性越硬。 如下圖所示： 其中,曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低,曲線與負載的交點為負載的最大速度點。 要使平均電流大,盡可能提高驅動電壓,使采用小電感大電流的電機。

7、電機的共振點：步進電機均有固定的共振區域,二、四相感應子式的共振區一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pPS左右（步距角為0.9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,為使電機輸出電矩大,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。

8、電機正反轉控制： 當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或()時為正轉,通電時序為DA-CD-BC-AB或()時為反轉。

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86BYG250A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’,它不一定是電機實際工作時的真正步距角,真正的步距角和驅動器有關。

通常步進電機步距角β的一般計算按下式計算。

β=360°/（Z·m·K）

式中 β―步進電機的步距角；

Z―轉子齒數；

m―步進電動機的相數；

K―控制系數,是拍數與相數的比例系數

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° 。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步距角的要求。如果使用細分驅動器,則‘相數’將變得沒有意義,用戶只需在驅動器上改變細分數,就可以改變步距角。

轉矩

1、HOLDING TORQUE（保持轉矩）

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。

2、DETENT TORQUE（無激磁保持轉矩）：

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,容易使大家產生誤解；由于反應式步進電機的轉子不是永磁材料,所以它沒有DETENT TORQUE。

一、專業化、特殊化、個性化

隨著電機行業的不斷發展,電機產品的外延和內涵也不斷拓展,電機產品廣泛應用于冶金、電力、石化、煤炭、礦山、建材、造紙、市政、水利、造船、港口裝卸等各個領域。電機的通用性逐漸向專用性方向發展,打破了過去同樣的電機分別用于不同負載類型、不同使用場合的局面。電機正向專用性、特殊性、個性化方向發展。國內很多企業也在向專業化企業轉型,如煤礦電機廠、防爆電機廠、微特電機廠等,而企業是否具有非標準化定制的適應能力,是衡量一個企業未來發展潛力的重要方面。

二、產品單機容量不斷增大

隨著現代化工業生產規模的逐步增大,與之相配套的生產設備也向著集成化、大型化、規模化方向發展,拖動大型機械設備的電動機功率也隨之越來越大,高電壓等級、大容量、高性能電機成為最重要的方向。對于各種軋機、電站輔機、高爐風機、鐵道牽引、軌道交通、艦船動力、排灌用泵等傳動用的大型交、直流電動機,單機容量不斷擴大,品種也不斷增多。這也促使電機生產企業紛紛向高壓大中型電機行業靠攏,以提高自身競爭力。

三、資源向優勢企業集中

技術水平決定利潤水平和競爭者數量從整個步進電機行業來講,平均利潤水平呈U形分布,競爭者數量呈倒U家用電器相關研究報告形的分布。目前,電機行業市場化程度高,電機企業數量眾多,整個行業處于整合、優化的變革過程當中。微型電機、大型電機(包括部分特種電機)由于技術難度高、前期投入較大、技術門檻較高,處于整個U型曲線的最高端,平均利潤水平較高、競爭者數量較少;小功率電機、小中型電機處于整個U型曲線的中間,競爭者數量較多,平均利潤水平較低。

1、一般步進電機的精度誤差為步距角的3-5%,且不累積。

2、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。

3、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。

4、步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,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）。

步進電動機以其顯著的特點,在數字化制造時代發揮著重大的用途。伴隨著不同的數字化技術的發展以及步進電機本身技術的提高,步進電機將會在更多的領域得到應用。

主要特性

1、步進電機必須加驅動才可以運轉, 驅動信號必須為脈沖信號,沒有脈沖的時候, 步進電機靜止, 如

果加入適當的脈沖信號, 就會以一定的角度（稱為步距角）轉動。轉動的速度和脈沖的頻率成正比。

2、三相步進電機的步進角度為7.5 度,一圈360 度, 需要48 個脈沖完成。

3、步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優越特性。

4、改變脈沖的順序, 可以方便的改變轉動的方向。

因此,目前打印機,繪圖儀,機器人,等等設備都以步進電機為動力核心。

驅動器的特點

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：

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）。

一是過載性好。其轉速不受負載大小的影響,不像普通電機,當負載加大時就會出現速度下降的情況,步進電機使用時對速度和位置都有嚴格要求。

二是控制方便。步進電機是以“步”為單位旋轉的,數字特征比較明顯。

三是整機結構簡單。傳統的機械速度和位置控制結構比較復雜,調整困難,使用步進電機后,使得整機的結構變得簡單和緊湊。 測速電機是將轉速轉換成電壓,并傳遞到輸入端作為反饋信號。測速電機為一種輔助型電機,在普通直流電機的尾端安裝測速電機,通過測速電機所產生的電壓反饋給直流電源,來達到控制直流電機轉速的目的。

本模塊可分為如下3個部分：

· 單片機系統：控制步進電動機；

· 外圍電路：PIC單片機和步進電動機的接口電路；

· PIC程序：編寫單片機控制步進電功機的接口程序,實現三角波信號的輸出功能。

1、步進電動機與單片機的接口。

單片機是性能極佳的控制處理器,在控制步進電機工作時,接口部件必須要有下列功能。

①電壓隔離功能。

單片機工作在5V,而步進電機是工作在幾十V,甚至更高。一旦步進電機的電壓串到單片機中,就會損壞單片機；步進電機的信號會干擾單片機,也可能導致系統工作失誤,因此接口器件必須有隔離功能。

②信息傳遞功能。

接口部件應能夠把單片機的控制信息傳遞給步進電機回路,產生工作所需的控制信息,對應于不同的工作方式,接口部件應能產生相應的工作控制波形。

③產生所需的不同頻率。

為了使步進電機以不同的速度工作,以適應不同的目的,接口部件應能產生不同的工作頻率。

2、電壓隔離接口。

電壓隔離接口專用于隔離低壓部分的單片機和高壓部分的步進電機驅動電路,以保證它們的正常工作。

電壓隔離接口可以用脈沖變壓器或光電隔離器,現在基本上是采用光電隔離器。單片機輸出信號可以通過TTL門電路或者直接送到晶體管的基極,再由晶體管驅動光電耦合器件的發光二極管。

發光二極管的光照到光電耦合器件內部的光敏管上,轉換成電信號,再去驅動步進電機的功率放大電路,電流放大接口是步進電機功放電路的前置放大電路。它的作用是把光電隔離器的輸出信號進行電流放大,以便向功放電路提供足夠大的驅動電流。

3、工作方式接口和頻率發生器。

用單片機控制步進電動機,需要在輸入輸出接口上用3條I/0線對步進電動機進行控制,這時,單片機用I/O口的RA0、RAI、RA2控制步進電動機的三相。

一般步進電機的精度為步進角的3-5%,且不累積。

外表溫度允許值

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130攝氏度以上,有的甚至高達200攝氏度以上,所以步進電機外表溫度在80-90攝氏度完全正常。

力矩與轉速成反比

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。

為什么步進電機脈沖頻率高于一定值就無法啟動　　

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）。

減輕振動和噪聲的方法

步進電機低速轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點,一般可采用以下方案來克服：

A、如步進電機正好工作在共振區,可通過改變減速比等機械傳動避開共振區；

B、采用帶有細分功能的驅動器,這是最常用的、最簡便的方法；

C、換成步距角更小的步進電機,如三相或五相步進電機；

D、換成交流伺服電機,幾乎可以完全克服震動和噪聲,但成本較高；

E、在電機軸上加磁性阻尼器,市場上已有這種產品,但機械結構改變較大。

驅動器的細分數與精度

步進電機的細分技術實質上是一種電子阻尼技術（請參考有關文獻）,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。比如對于步進角為1.8°的兩相混合式步進電機,如果細分驅動器的細分數設置為4,那么電機的運轉分辨率為每個脈沖0.45°,電機的精度能否達到或接近0.45°,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。

串聯接法和并聯接法

四相混合式步進電機與驅動器的串聯接法和并聯接法的區別：

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。

驅動器電源的確定

A.電壓的確定

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最大輸入電壓,否則可能損壞驅動器。

B.電流的確定

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。

脫機信號FREE使用

混合式步進電機驅動器當脫機信號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。

兩相步進電機轉向變換

只需將電機與驅動器接線的A+和A-（或者B+和B-）對調即可。

四個繞組引出四相(相A1相A2相B1相B2)和兩個公共線(接到電源的正極)。把繞組的某一相接到電源的地線。這樣該繞組就會受到激勵。我們采用四相八拍的控制方式,即1相與2相交替導通,這樣可提高分辨率。每一步可轉0.9°控制電機正轉的勵磁順序如下表：

若要求電機反轉,將勵磁信號倒過來傳送即可。

控制方案

控制系統的框圖如下

本方案采用AT89S51作為主控制器件。它與AT89C51兼容,同時還增加了SPI接口和看門狗模塊,這不但使程序調試變得方便而且也使程序運行更加穩定。在方案中該單片機主要實現現場信號的采集并計算出步進電機運轉的方向和速度信息。然后傳送給CPLD。

CPLD采用EPM7128SLC84-15,EPM7128是可編程的大規模邏輯器件,為ALTERA公司的MAX7000系列產品。具有高阻抗、電可擦等特點,可用單元為2500個,工作電壓為+5V。CPLD接收到單片機發送過來的信息后,轉換成對應的控制信號輸出給步進電機驅動器。驅動器則把控制信號處理后輸入電機繞組,實現了電機的有效控制。

電機驅動器硬件結構

電機的驅動器采用如下電路：

其中R1-R8的電阻值為320Ω。R9-R12的電阻值為2.2KΩ。Q1-Q4為達林頓管D401A,Q5-Q8為S8550。J1、J2與步進電機的六條引線相連。

1、電機旋轉的角度正比于脈沖數；

2、電機停轉的時候具有最大的轉矩（當繞組激磁時）；

3、由于每步的精度在百分之三到百分之五,而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復性；

4、 優秀的起停和反轉響應；

5、由于沒有電刷,可靠性較高,因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命；

6、電機的響應僅由數字輸入脈沖確定,因而可以采用開環控制,這使得電機的結構可以比較簡單而且控制成本；

7、僅僅將負載直接連接到電機的轉軸上也可以極低速的同步旋轉。

8、由于速度正比于脈沖頻率,因而有比較寬的轉速范圍。

缺點

1、如果控制不當容易產生共振；

2、難以運轉到較高的轉速。

3、難以獲得較大的轉矩

4、在體積重量方面沒有優勢,能源利用率低。

5、超過負載時會破壞同步,高速工作時會發出振動和噪聲。

直接接到工頻交流或直流電源上工作,而必須使用專用的步進電動機驅動器,如圖2所示,它由脈沖發生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。圖中點劃線所包圍的二個單元可以用微機控制來實現。驅動單元與步進電動機直接耦合,也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口,這里予以簡單介紹。

1、單電壓功率驅動

實用

電路如圖3所示。在電機繞組回路中串有電阻Rs,使電機回路

時間常數減小,高頻時電機能產生較大的電磁轉矩,還能緩解電機的低頻共振現象,但它引起附加的損耗。一般情況下,簡單單電壓驅動線路中,Rs是不可缺少的。Rs對步進電動機單步響應的改善如圖3(b)。

2、雙電壓功率驅動

雙電壓驅動的功率接口如圖4所示。雙電壓驅動的基本思路是在較低（低頻段）用較低的電壓UL驅動,而在高速（高頻段）時用較高的電壓UH驅動。這種功率接口需要兩個控制信號,Uh為高壓有效控制信號,U為脈沖調寬驅動控制信號。圖中,功率管TH和二極管DL構成電源轉換電路。當Uh低電平,TH關斷,DL正偏置,低電壓UL對繞組供電。反之Uh高電平,TH導通,DL反偏,高電壓UH對繞組供電。這種電路可使電機在高頻段也有較大出力,而靜止鎖定時功耗減小。

3、高低壓功率驅動

高低壓功率驅動接口如圖5所示。高低壓驅動的設計思想是,不論電機

工作頻率如何,均利用高電壓UH供電來提高導通相繞組的電流前沿,而在前沿過后,用低電壓UL來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅動器的高頻性能,而且不必再串聯電阻Rs,消除了附加損耗。高低壓驅動功率接口也有兩個輸入控制信號Uh和Ul,它們應保持同步,且前沿在同一時刻跳變,如圖5所示。圖中,高壓管VTH的導通時間tl不能太大,也不能太小,太大時,電機電流過載；太小時,動態性能改善不明顯。一般可取1~3ms。（當這個數值與電機的電氣時間常數相當時比較合適）。

4、斬波恒流功率驅動

恒流驅動的設計思想是,設法使導通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時均保持固定數值。使電機具有

恒轉矩輸出特性。這是目前使用較多、效果較好的一種功率接口。圖6是斬波恒流功率接口原理圖。圖中R是一個用于電流采樣的小阻值電阻,稱為采樣電阻。當電流不大時,VT1和VT2同時受控于走步脈沖,當電流超過恒流給定的數值,VT2被封鎖,電源U被切除。由于電機繞組具有較大電感,此時靠二極管VD續流,維持繞組電流,電機靠消耗電感中的磁場能量產生出力。此時電流將按指數曲線衰減,同樣電流采樣值將減小。當電流小于恒流給定的數值,VT2導通,電源再次接通。如此反復,電機繞組電流就穩定在由給定電平所決定的數值上,形成小小的鋸齒波,如圖6所示。

斬波恒流功率驅動接口也有兩個輸入控制信號,其中u1是數字脈沖,u2是模擬信號。這種功率接口的特點是：高頻響應大大提高,接近恒轉矩輸出特性,共振現象消除,但線路較復雜。目前已有相應的集成功率模塊可供采用。

5、升頻升壓功率驅動

為了進一步提高驅動系統的高頻響應,可采用升頻升壓功率驅動接口。這種接口對繞組提供的電壓與電機的運行頻率成線性關系。它的主回路實際上是一個開關穩壓電源,利用頻率-電壓變換器,將驅動脈沖的頻率轉換成直流電平,并用此電平去控制開關穩壓電源的輸入,這就構成了具有頻率反饋的功率驅動接口。

6、集成功率驅動

目前

已有多種用于小功率步進電動機的集成功率驅動接口電路可供選用。

L298芯片是一種H橋式驅動器,它設計成接受標準TTL邏輯電平信號,可用來驅動電感性負載。H橋可承受46V電壓,相電流高達2.5A。L298(或XQ298,SGS298)的邏輯電路使用5V電源,功放級使用5~46V電壓,下橋發射極均單獨引出,以便接入電流取樣電阻。L298(等)采用15腳雙列直插小瓦數式封裝,工業品等級。它的內部結構如圖7所示。H橋驅動的主要特點是能夠對電機繞組進行正、反兩個方向通電。L298特別適用于對二相或四相步進電動機的驅動。

與L298類似的電路還有TER公司的3717,它是單H橋電路。SGS公司的SG3635則是單橋臂電路,IR公司的IR2130則是三相橋電路,Allegro公司則有A2916、A3953等小功率驅動模塊。

圖8是使用L297(環形分配器專用芯片)和L298構成的具有恒流斬波功能的步進電動機驅動系統。

具有供截止期間釋放電流流通的回路,以降低繞組兩端的反電動勢,加快電流衰減。

2、具有較高功率及效率。

步進電機驅動器,它是把控制系統發出的脈沖信號轉化為步進電機的角位移,或者說：控制系統每發一個脈沖信號,通過驅動器就使步進電機旋轉一個步距角。也就是說步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。所以控制步進脈沖信號的頻率,就可以對電機精確調速；控制步進脈沖的個數,就可以對電機精確定位。步進電機驅動器有很多,我們應以實際的功率要求合理的選擇驅動器。

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。

二、初速度太高,加速度太大,引起有時丟步;

三、在用同步帶的場合軟件補償太多或太少;

四、馬達力量不夠;

五、控制器受干擾引起誤動作

六、驅動器受干擾引起;

七、軟件缺陷;

有以下幾點解決方法：

1、一般的步進電機驅動器對方向和脈沖信號都有一定的要求,如：方向信號在第一個脈沖上升沿或下降沿(不同的驅動器要求不一樣)到來前數微秒被確定,否則會有一個脈沖所運轉的角度與實際需要的轉向相反,最后故障現象表現為越走越偏,細分越小越明顯,解決辦法主要用軟件改變發脈沖的邏輯或加延時。

2、由于步進電機特點決定初速度不能太高,尤其帶的負載慣量較大情況下建議初速度在1r/s以下,這樣沖擊較小,同樣加速度太大對系統沖擊也大,容易過沖,導致定位不準電機正轉和反轉之間應有一定的暫停時間若沒有就會因反向加速度太大引起過沖。

3、根據實際情況調整被償參數值,(因為同步帶彈性形變較大,所以改變方向時需加一定的補償)。

4、適當地增大馬達電流,提高驅動器電壓(注意選配電機驅動器)選扭矩大一些的馬達。

5、系統的干擾引起控制器或驅動器的誤動作,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,常見措施：①用雙紋屏蔽線代替普通導線,系統中信號線與大電流或大電壓變化導線分開布線,降低電磁干擾能力。

②用電源濾波器把來自電網的干擾波濾掉,在條件許可下各大用電設備的輸入端加電源濾波器,降低系統內各設備之間的干擾。

③設備之間最好用光電隔離器件進行信號傳送,在條件許可下,脈沖和方向信號最好用差分方式加光電隔離進行信號傳送。在感性負載(如電磁繼電器、電磁閥)兩端加阻容吸收或快速泄放電路,感性負載在開頭瞬間能產生10~100倍的尖峰電壓,如果工作頻率在20KHZ以上。

6、軟件做一些容錯處理,把干擾帶來影響消除。