一、步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)

步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)包含步進(jìn)電動機和步進(jìn)驅(qū)動器，前端由PLC發(fā)脈沖。

步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)?STRONG>角位移或線位移以控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的開環(huán)控制電機（可以通過安裝編碼器形成閉環(huán)系統(tǒng)）。

它旋轉(zhuǎn)是以固定的角度（步距角）一步一步運行的，故稱步進(jìn)電機。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的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，因此具有較高的定位精度。
步進(jìn)驅(qū)動器（步進(jìn)驅(qū)動電源）向電動機繞組提供脈沖電流，步進(jìn)電動機的運行性能決定于電動機與步進(jìn)驅(qū)動器的良好配合。

電機的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得電機的結(jié)構(gòu)可以比較簡單而且控制成本。

二、 步進(jìn)電機基本原理

步進(jìn)電機是一種用電脈沖進(jìn)行控制，將電脈沖(數(shù)字信號)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。

通常步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。

該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度，轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。

當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 (稱為"步距角")，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。

 

步進(jìn)電機輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。因此：

可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；
可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的；
可以通過控制繞組通電順序，達(dá)到控制電機正反轉(zhuǎn)的目的。

三、步進(jìn)電機的主要參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)

步進(jìn)電機主要參數(shù)包括：額定電壓、額定電流、相數(shù)、步距角、步距角誤差、最大靜轉(zhuǎn)矩、空載起動頻率、最高運行頻率等。

3.1 相數(shù)

是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有兩相、三相、五相步進(jìn)電機。

3.2 拍數(shù)

完成一個磁場周期性變化縮需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，用m表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)。

3.3 保持轉(zhuǎn)矩

是指步進(jìn)電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。

(注：通常步進(jìn)電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。人們常說的2N·M的步進(jìn)電機，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)

3.4 定位轉(zhuǎn)矩

電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩。

3.5 步距角

對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移。

3.6 失步

電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等與理論上的步數(shù)。

3.7 失調(diào)角

轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動是不能解決的。

3.8 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(guān)系的曲線。

四、步進(jìn)驅(qū)動器原理

 

3.1 控制信號接口

 

3.2 功率接口

 

3.3 撥碼含義

 

3.4 狀態(tài)指示

綠色 LED 為電源指示燈，當(dāng)驅(qū)動器接通電源時，該 LED 常亮；

當(dāng)驅(qū)動器切斷電源時，該LED 熄滅。紅色 LED 為故障指示燈，當(dāng)出現(xiàn)故障時，該指示燈根據(jù)故障類型，以0.2秒循環(huán)閃爍設(shè)定的次數(shù)，然后以1秒間隔繼續(xù)重復(fù)以0.2秒循環(huán)閃爍設(shè)定的次數(shù)。

直到故障被用戶清除，紅色 LED常滅。故障類型對應(yīng)的閃爍次數(shù)如下表：

 

3.5 兩相步進(jìn)電機區(qū)分相序的方法

方法一

兩相四線都沒有短接時，旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機的軸，此時轉(zhuǎn)軸應(yīng)該比較容易轉(zhuǎn)動。

將任意兩根線短接，然后旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機的軸，此時若比較困難轉(zhuǎn)動，則說明該兩根線為同相序。否則為不同相序。

方法二

將萬用表打到電阻檔，任意兩根線接到萬用表紅黑兩端，若此時電阻較小時，則說明該兩線為同相；若電阻無窮大時，則說明該兩線為非同相。

3.6 控制信號與步進(jìn)驅(qū)動器接線方法

日系PLC（歐姆龍、倍福等）輸出Q點是低電平，因此接步進(jìn)驅(qū)動器的PUL-/DIR-，步進(jìn)驅(qū)動器的PUL+/DIR+共陽極，接24V。

 

歐系PLC（西門子等）輸出Q點是高電平，因此接步進(jìn)驅(qū)動器的PUL+/DIR+，步進(jìn)驅(qū)動器的PUL-/DIR-共陰極，接0V。

 

Ena+/Ena-為脫機信號

打開脫機功能后，電機轉(zhuǎn)子處于自由不鎖定狀態(tài)，可以輕松轉(zhuǎn)動，此時輸入脈沖信號不響應(yīng)，

關(guān)閉此信號后電機接受脈沖信號正常運轉(zhuǎn)。

注：一般在實際應(yīng)用中可不接。

五、關(guān)于步進(jìn)電機相數(shù)、細(xì)分、步距角

混合式步進(jìn)電機結(jié)合了永磁式步進(jìn)電機和反應(yīng)式步進(jìn)電機的優(yōu)點。

目前常用的有二相步進(jìn)電機、三相步進(jìn)電機、五相步進(jìn)電機：兩相步進(jìn)電機步進(jìn)角一般為1.8度和0.9度，三相步進(jìn)電機步距角為1.2度，五相步進(jìn)電機步進(jìn)角一般為 0.72度。

 

5.1 步進(jìn)電機固有步距角

它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號，步進(jìn)電機所轉(zhuǎn)動的角度。

步進(jìn)電機出廠時給出了一個步距角的值，如上圖電機給出的值為步距角是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“步進(jìn)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“和步進(jìn)電機驅(qū)動器細(xì)分有關(guān)。

5.2 步進(jìn)電機的相數(shù)

是指步進(jìn)電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、五相步進(jìn)電機。

相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相步進(jìn)電機的步距角為0.9°/1.8°、三相步進(jìn)電機的為1.2°、五相步進(jìn)電機的為0.72° 。

在沒有細(xì)分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機來滿足自己對步距角的要求。

如果使用步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動器，則“相數(shù)“將變得沒有意義，用戶只需在步進(jìn)電機驅(qū)動器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變脈沖當(dāng)量。即指的是一個脈沖電機轉(zhuǎn)動的角度。

5.3 步進(jìn)電機細(xì)分?jǐn)?shù)

細(xì)分是驅(qū)動器將上位機發(fā)出的每個脈沖按驅(qū)動器設(shè)定的細(xì)分倍數(shù)后對電機進(jìn)行控制。

簡單的說，就是在電機的步距角按照細(xì)分倍率進(jìn)行縮小。

比如1.8°步距角的步進(jìn)電機，驅(qū)動器細(xì)分設(shè)置為32，則脈沖當(dāng)量1.8°/32=0.05625°。

或者也可以理解為每轉(zhuǎn)一圈為200個脈沖，細(xì)分為32倍，那么步進(jìn)電機驅(qū)動器需要輸出200*32=6400個脈沖步進(jìn)電機才轉(zhuǎn)一圈。

通常細(xì)分有2、4、8、16、32、64、128、256、普通場景應(yīng)用下建議細(xì)設(shè)置在10000左右即可，細(xì)分主要是改善電機的運行性能，使步進(jìn)電機運行更平穩(wěn)，噪音更小。

舉例說明：

兩相步進(jìn)電機的基本步距角是1.8°，即一個脈沖走1.8°，如果沒有細(xì)分，則是200個脈沖走一圈360°。

細(xì)分是通過驅(qū)動器靠精確控制電機的相電流所產(chǎn)生的，與電機無關(guān)。如果是10細(xì)分，則發(fā)一個脈沖電機走0.18°，即2000個脈沖走一圈360°，電機的精度能否達(dá)到或接近0.18°，還取決于細(xì)分驅(qū)動器的細(xì)分電流控制精度等其它因素。

不同廠家的細(xì)分驅(qū)動器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制。以次類推。

三相步進(jìn)電機的基本步距角是1.2°，即一個脈沖走1.2°，如果沒有細(xì)分，則是300個脈沖走一圈360°，如果是10細(xì)分，則發(fā)一個脈沖，電機走0.12°，即3000個脈沖走一圈360°，以次類推。

5.4 保持轉(zhuǎn)矩

是指步進(jìn)電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。

由于步進(jìn)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(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機最重要的參數(shù)之一。

比如，當(dāng)人們說1N.m的步進(jìn)電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為1N.m的步進(jìn)電機。

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六、 常見問題及解答

1、問：初次使用該步進(jìn)驅(qū)動器，如何能盡快上手？

答：正確接好電源和電機后，只接脈沖信號PUL(先將頻率設(shè)置為1K以內(nèi))，細(xì)分設(shè)置為16，方向和脫機懸空，此時加電后電機默認(rèn)正轉(zhuǎn)。運行無誤后再依次測試加速(提高頻率)、方向、細(xì)分和脫機等功能。

2、問：控制信號高于5V，一定要加串聯(lián)電阻嗎？

答：是的，否則有可能燒毀驅(qū)動器控制接口的電路。

3、問：接線后電源指示燈亮，但電機不轉(zhuǎn)，是什么原因？

答：如果接線正確，但仍然不轉(zhuǎn)，說明控制部分驅(qū)動能力不夠，這種情況多出現(xiàn)在用單片機的io口直接控制方式。請確保控制接口有5mA的驅(qū)動能力。

4、問：如何判斷步進(jìn)電機四條線的定義？
答：將電機的任意兩條線接在一起，此時用手?jǐn)Q電機轉(zhuǎn)子有阻力，則這兩條線是同一相，可接在驅(qū)動器A+、A-；另外兩條線短接仍然有阻力，則將這兩條線接在B+和B-。

5、問：電機的正反轉(zhuǎn)情況與應(yīng)實際達(dá)到的相反？
答：只需要把電機其中一相的兩根線互換接入即可。

1.電機旋轉(zhuǎn)電流吱吱聲音過大 PWM頻率過低 改變方法提高頻率或者減少細(xì)分?jǐn)?shù)
2.驅(qū)動器自動斷電時 設(shè)置電流過大,應(yīng)該降低設(shè)置電流
3.電流設(shè)置會影響轉(zhuǎn)速
4.電機過燙，設(shè)置的電流過大,應(yīng)該降低設(shè)置電流
5.ENA-和ENA+不接，這是脫機信號控制
6.PWM輸出都采用開漏輸出，需要外接上拉5V，不然沒有PWM輸出
7.當(dāng)選擇電機轉(zhuǎn)速較慢時,應(yīng)該選擇更多的細(xì)分?jǐn)?shù)