時代超群步進電機控制的缺點（wgb）

什么是步進電機

　　步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，

它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，

從而達到準(zhǔn)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(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。

步進電機分哪幾種

　　步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，

步進角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。

在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進

角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。

什么是保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）

　　保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要

的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)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(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。

什么是DETENT TORQUE

　　DETENT TORQUE 是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT TORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一

的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。

步進電機精度為多少？是否累積

　　一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。

步進電機的外表溫度允許達到多少

　　步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的****溫度

應(yīng)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。

為什么步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降

　　當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)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(dǎo)致力矩下降。

為什么步進電機高于一定速度就無法啟動

　　步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：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(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)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(zhuǎn)速從低速升到高速）。

如何克服兩相混合式步進電機的振動和噪聲

　　步進電機低速轉(zhuǎn)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(qū)，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區(qū)；

　　B.采用帶有細分功能的驅(qū)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(chǎn)品，但機械結(jié)構(gòu)改變較大。

細分驅(qū)動器的細分數(shù)是否能代表精度

　　步進電機的細分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請參考有關(guān)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(zhuǎn)精度只是細分技術(shù)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(qū)動器的細分數(shù)設(shè)置為4，那么電機的運轉(zhuǎn)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(qū)動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅(qū)動器精度可能差別很大；細分數(shù)越大精度越難控制。

串聯(lián)接法和并聯(lián)接法有什么區(qū)別

　　四相混合式步進電機與驅(qū)動器的串聯(lián)接法和并聯(lián)接法有什么區(qū)別?

　　四相混合式步進電機一般由兩相驅(qū)動器來驅(qū)動，因此，連接時可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機接成兩相

使用。串聯(lián)接法一般在電機轉(zhuǎn)速較低的場合使用，此時需要的驅(qū)動器輸出電流為電機相電流的0.7倍，因而電機發(fā)熱小；

并聯(lián)接法一般在電機轉(zhuǎn)速較高的場合使用（又稱高速接法），所需要的驅(qū)動器輸出電流為電機相電流的1.4倍，因而電

機發(fā)熱較大。

如何確定步進電機驅(qū)動器的直流供電電源

　　A.電壓的確定

　　混合式步進電機驅(qū)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(jù)電機的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)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(qū)動器的****輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動器。

　　B.電流的確定

　　供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)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(guān)電源，電源電流一般可取I 的1.5～2.0倍。

混合式步進電機驅(qū)動器的脫機信號FREE使用

　　當(dāng)脫機信號FREE為低電平時，驅(qū)動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機狀態(tài)）。在有些自

動化設(shè)備中，如果在驅(qū)動器不斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)。手動完成后，再將FREE信號置高，以繼續(xù)自動控制。

如何調(diào)整兩相步進電機通電轉(zhuǎn)動方向

　　只需將電機與驅(qū)動器接線的A+和A-（或者B+和B-）對調(diào)即可。

步進電機的主要特性

1 步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)， 驅(qū)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(dāng)?shù)拿}沖信號， 就會以一定的角度（稱為步角）轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。

　　2 騰龍版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(yōu)越特性。

　　4 改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。

　　因此，目前打印機，繪圖儀，機器人，等等設(shè)備都以步進電機為動力核心。

步進電機控制例子

我們使用的單極四相步進電機為例。其結(jié)構(gòu)如圖1：

　　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(dǎo)通，這樣可提高分辨率。每一步可

轉(zhuǎn)0.9°控制電機正轉(zhuǎn)的勵磁順序如下表：

　　若要求電機反轉(zhuǎn)，將勵磁信號倒過來傳送即可。 2 控制方案

　　控制系統(tǒng)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(diào)試變得方便而且也使程序運行更加穩(wěn)定。在方案中該單片機主要實現(xiàn)現(xiàn)場信號的采集并計算出步進電機運轉(zhuǎn)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(guī)模邏輯器件，為ALTERA公司的MAX7000系列產(chǎn)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(fā)送過來的信息后，轉(zhuǎn)換成

對應(yīng)的控制信號輸出給步進電機驅(qū)動器。驅(qū)動器則把控制信號處理后輸入電機繞組，實現(xiàn)了電機的有效控制。 2.1 電

機驅(qū)動器硬件結(jié)構(gòu)

　　電機的驅(qū)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

步進電機優(yōu)缺點

優(yōu)點

　　1． 電機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；

　　2． 電機停轉(zhuǎn)的時候具有****的轉(zhuǎn)矩（當(dāng)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(fù)性；

　　4． 優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；

　　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(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

　　7． 僅僅將負載直接連接到電機的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)。

　　8． 由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。

缺點

　　1． 如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振；

　　2． 難以運轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。

　　3. 難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩

　　4. 在體積重量方面沒有優(yōu)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(fā)出振動和噪聲。