步進電機驅動及控制技術解答

1.步進電機為什么要配步進電機驅動器才能工作？

    步進電機作為一種控制精密位移及大范圍調速專用的電機, 它的旋轉是以自身固有的步距角角（轉子與定子的機械結構所決定）一步一步運行的, 其特點是每旋轉一步，步距角始終不變，能夠保持精密準確的位置。所以無論旋轉多少次，始終沒有積累誤差。由于控制方法簡單，成本低廉，廣泛應用于各種開環(huán)控制。步進電機的運行需要有脈沖分配的功率型電子裝置進行驅動, 這就是步進電機驅動器。它接收控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號，按照步進電機的結構特點，順序分配脈沖，實現控制角位移、旋轉速度、旋轉方向、制動加載狀態(tài)、自由狀態(tài)。控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號, 通過驅動器就能夠驅動步進電機旋轉一個步距角。步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。角位移量與脈沖個數相關。步進電機停止旋轉時，能夠產生兩種狀態(tài)：制動加載能夠產生最大或部分保持轉矩（通常稱為剎車保持，無需電磁制動或機械制動）及轉子處于自由狀態(tài)（能夠被外部推力帶動輕松旋轉）。步進電機驅動器，必須與步進電機的型號相匹配。否則，將會損壞步進電機及驅動器。

2.什么是驅動器的細分？運行拍數與步距角是什么關系？

   “細分”是針對“步距角”而言的。沒有細分狀態(tài)，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，步進電機就按照整步旋轉一個特定的角度。步進電機的參數，都會給出一個步距角的值。如110BYG250A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°），這是步進電機固有步距角。通過步進電機驅動器設置的細分狀態(tài)，步進電機將會按照細分的步距角旋轉位移角度，從而實現更為精密的定位。以110BYG250A電機為例，列表說明：

    可用看出，細分數就是指電機運行時的真正步距角是固有步距角(整步）的幾分指一。例如，驅動器工作在10細分狀態(tài)時，其步距角只有步進電機固有步距角的十分之一。當驅動器工作在不細分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，步進電機旋轉1.8°；而用細分驅動器工作在10細分狀態(tài)時，電機只轉動了0.18° 。其實，細分就是步進電機按照微小的步距角旋轉，也就是常說的微步距控制。當然，不同的場合，有不同的控制要求。并不是說，驅動步進電機必須要求細分。有些步進電機的步距角設計為3.6°、7.5°、15°、36°、180°，就是為了加大步距角，以適應特殊的工況條件。細分功能，只是是由驅動器采用精確控制步進電機的相電流方法，與步進電機的步距角無關，而與步進電機實際工作狀態(tài)相關。

   運行拍數與驅動器細分的關系是：運行拍數指步進電機運行時每轉一個齒距所需的脈沖數。例如：110BYG250A電機有50個齒，如果運行拍數設置為160，那么步進電機旋轉一圈總共需要50×160＝8000步；對應步距角為360°÷8000＝0.045°。這就是驅動器設置為40細分狀態(tài)。對于用戶來說，沒有必要去計算幾步幾拍，這是生產廠家配套的事情。用戶只要知道：控制系統(tǒng)所發(fā)出的脈沖率數，除以細分數，就是步進電機整步運行的脈沖數。例如：步進電機的步距角為1.8°時，每秒鐘200個脈沖，步進電機就能夠在一秒鐘內旋轉一圈；當驅動器設置為40細分狀態(tài)，步進電機每秒鐘旋轉一圈的脈沖數，就要給到8000個。

3.驅動器細分有什么好處？

    步進電機驅動器采用細分功能，能夠消除步進電機的低頻共振（震蕩）現象，減少振動，降低工作噪音。隨著驅動器技術的不斷提高，當今，步進電機在低速工作時的噪音已經與直流電機相差無幾。低頻共振是步進電機（尤其是反應式電機）的固有特性，只有采用驅動器細分的辦法，才能減輕或消除。

    利用細分方法，又能夠提高步進電機的輸出轉矩。驅動器在細分狀態(tài)下，提供給步進電機的電流顯得“持續(xù)、強勁”，極大地減少步進電機旋轉時的反向電動勢。

    驅動器的細分功能，改善了步進電機工作的旋轉位移分辨率。因此，步進電機的步距角，就沒有必要做得更小。選擇現有的常規(guī)標準步距角的步進電機，配置40細分以下的驅動器，就能夠完成精密控制任務。由于步進電機步距角的原因，驅動器的細分數再加大，已經沒有實際意義。通常，選擇5、8、10、20細分，就能夠適應各種工控要求。

4.步進電機的運行方向有幾種方法調整？

  平時，采用三種方法來該變步進電機的旋轉方向。

一、改變控制系統(tǒng)的方向信號，即高電平或低電平。

二、對于有兩路脈沖輸入的驅動器，改變脈沖的順序。

三、調整步進電機其中一組線圈的兩個線頭位置，重新接入驅動器。 具體方法見下表：

5．四相六根和八根線的，如何使用兩相四線驅動器？

    四相混合式步進電機，可以認為是二相混合式步進電機。多組線圈多個抽頭，是為了適應不同工控條件而設計的。由于步進電機的線圈，與轉速、轉矩有著密切的關系。高速與低速工作的步進電機參數有所不同。通常，高速步進電機的電感要求小一點，低速工作時要求大一點的電感量。但是，這也不是絕對的。更多的實際應用，還考慮權衡其它眾多相關因素。下面就幾種步進電機的線圈繞組及出線，采用雙極性驅動器，說明接線方法：

兩相四線電機：1 和2為一相，分別接A和/A；3和4為一相，分別接B和/B。參考下圖：

    四相六線電機，兩種方法接線：

    一、1和2為一相，分別接A和/A；5和6為一相，分別接B和/B。

3和4不用，分別懸空（不要相連）。

二、1、3為一相，定義A、/A；4、6為一相，定義為B、/B。2和5分別懸空不用（不要相連）。

參考下圖：

四相八線電機， 有兩種接法。

并聯(lián)接法：1和3相連，2和4相連，分別接A和/A；5和7相連，6和8相連，

分別接B和/B。

串聯(lián)接法：1和4為一相，分別接A和/A；2、3連接好不用；5、8為一相，分別接B、/B，6、7連接好不用。

參考下圖：

6.四相五線步進電機如何接驅動器？

  上述四相六線、八線步進電機，都可在生產過程中，接為五線制，適應特殊需要。驅動器就要選擇單極性驅動方式，例如HSM8672單極性步進電機驅動器。如上圖：四相六線步進電機的2、5并聯(lián)為一線；四相八線步進電機的2、3、6、7并聯(lián)為一線。

7.電機在低速運行時正常，為何稍高一點的頻率略就會堵轉？

    步進電機跑高速需要高電壓支持。步進電機的工作電壓，能夠適應在較大范圍內調整。只要將輸入電壓加高一點，就可以解決。但是，要特別注意驅動器的輸入電壓不能高于驅動器電源端標注的最高電壓，否則，會燒毀驅動器。

8.接線全部完好，為何開機時步進電機在抖動而不能運行？

    步進電機只能夠由數字信號控制運行的，當脈沖提供給驅動器時，在過于短的時間里，控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖數太多，也就是脈沖頻率過高，將導致步進電機堵轉。要解決這個問題，必須采用加減速的辦法。就是說，在步進電機起步時，要給逐漸升高的脈沖頻率，減速時的脈沖頻率需要逐漸減低。這就是我們常說的“加減速”方法。

步進電機轉速度，是根據輸入的脈沖信號的變化來改變的。從理論上講，給驅動器一個脈沖，步進電機就旋轉一個步距角（細分時為一個細分步距角）。實際上，如果脈沖信號變化太快，步進電機由于內部的反向電動勢的阻尼作用，轉子與定子之間的磁反應將跟隨不上電信號的變化，將導致堵轉和丟步。所以步進電機在高速啟動時，需要采用脈沖頻率升速的方法，在停止時也要有降速過程，以保證實現步進電機精密定位控制。加速和減速的原理是一樣的。下面就加速實例加以說明：

加速過程，是由基礎頻率（低于步進電機的直接起動最高頻率）與跳變頻率（逐漸加快的頻率）組成加速曲線（降速過程反之）。跳變頻率是指步進電機在基礎頻率上逐漸提高的頻率，此頻率不能太大，否則會產生堵轉和丟步。加減速曲線一般為指數曲線或經過修調的指數曲線，當然也可采用直線或正弦曲線等。使用單片機或者PLC，都能夠實現加減速控制。對于不同負載、不同轉速，需要選擇合適的基礎頻率與跳變頻率，才能夠達到最佳控制效果。指數曲線，在軟件編程中，先算好時間常數存貯在計算機存貯器內，工作時指向選取。通常，完成步進電機的加減速時間為300ms以上。如果使用過于短的加減速時間，對絕大多數步進電機來說，很難實現步進電機的高速旋轉。

   很多工控場合，要求步進電機運行平穩(wěn)、振動小、噪音低、瞬間完成執(zhí)行指令、高精度定位，都需要在編寫軟件時使用加減速方法。脈沖頻率的不同時間常數，對于某個工控現場步進電機的運行，將會產生不同的控制效果。這就要求控制程序的編寫人員，深入了解控制要求，明確控制目標，做到錦上添花，力求完美。

9.有些場合，步進電機為何還要閉環(huán)控制？