步进电机及驱动器工作原理

1、步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（称为”步距角”）一步一步运行的，其特点是没有积累误差（精度为100%）,所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位目的；2、步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动器工作在10细分状态时，其步距角只为‘电机固有步距角‘的十分之一，也就是说：‘当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.8°；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了0.18°‘，这就是细分的基本概念。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生，与电机无关。3、驱动器细分有什么优点，为什么一定建议使用细分功能？驱动器细分后的主要优点为：完全消除了电机的低频振荡。低频振荡是步进电机（尤其是反应式电机）的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果您的步进电机有时要在共振区工作（如走圆弧），选择细分驱动器是唯一的选择。提高了电机的输出转矩。尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约30-40%。提高了电机的分辨率。由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，‘提高电机的分辨率‘是不言而喻的。细分的基木概念为:步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了。如驱动器工作在10细分状态时，其步距角只为'电机固有步距角’的十分之一，也就是:当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.80；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了0.180。细分功能完全是山驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。驱动器细分后的平要优点为:完全消除了电机的低频振荡;提高了电机的输出转矩，尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约30-40%;提高了电机的分辨率，山于减小了步距角、提高了步距的均匀度，'提高电机的分辨率’是不言而喻的。以上这些优点，尤其是在性能卜的优点，并不是一个量的变化，而是质的匕跃。因此，在性能上的优点是细分的真正优点。细分原理当要求步进电动机有更小的步距角，更高的分辨率（即脉冲当影，或者为减小电动机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流个部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定的一部分，则电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分。这里，绕组电流不是一个方被，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，电流分成步进电机细分驱动控制器的研究踢2.10 缆如阶梯电流.波形图FigiTOWaveformofWindingCurrent多少个台阶，则转子就以同样的步数转过一个步距角。这种将一个步跟角细分成若干步的驱动方法，称为细分驱动。细分驱动时绕组阶梯电流波形示意图如图2-10所示。细分技术又称为微步距控制技术，是步进电动机开环控制最新技术之一，利用计算机数字处理技术和D/A转换技术，将图2Fig2-10to绕组阶梯电流彼推图.WaveformofWindingCurrent各相绕组电流通过PWM控制，获得按规律改变其幅值的大小和方向，实现将步进电动机一个整步均分为若十个更细的微步。每个微步距可能是原来基本步距的数卜分之一，甚至是数百分之一。步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是提高电机的运转精度，实现步进电机步距角的高精度细分;其次，细分技术的附带功能是减弱或消除步进电机的低频振动。低频振荡是步进电机（尤其是反应式电机）的固有特性，而细分是消除它的唯一途径。如果步进电机有时要在共振区工作（如走圆弧），选择细分驱动器是唯一的选择。步进电机细分驱动的本质是把对绕组的矩形电流波供电改为阶梯形电流波供电。要求绕组中的电流以若十个等幅等宽的阶梯上升到额定值，或以同样的阶梯从额定值下降到零。虽然这种驭动电源的结构比较复杂，但有如卜优点:在不改变电机内部结构的前提下，使步进电机具有更小的步距角、更高的分辨率；使电机运行平稳，减小或消除电机振荡、减小噪声。以二相反应式步进电机为例，采用磁势转换图直观分析细分驱动的原理。对应于半步工作方一式，状态转换(a)A--*AB图AH合成磁势矢银图图2-11合成磁势矢量图表为A-AB--B-BC-C-CA----。如果将每相绕组电流分为四个等幅等宽的阶梯土升或下降，则将步进电机的每一步分为四步完成，即对步进电机进行四细分驱动初始状态时A相通额定电流，即iA-i,;当第一个CP脉冲到来时，B相不是马土通额定电流，而只是通额定电流的四分之一，即ix1/4i,，此时电机的磁势山A相的i、和B相的1/4i、合成，合成磁势情况如图2-11(b)所示。当第二个CP脉冲到来时，A相电流不变，B相电流增大到1/2i,，以此类推。可见，上述细分使原来从A状态只需一步变为需四步运行到AB，如图2-11所示。斩波恒流驱动以上驱动线路所采取的多种措施，大多只有一个目的，这就是要使导通相不论在锁定、低频或高频工作时都保持额定值。斩波恒流驭动方式可较好地解决这个问题并提高步进电机的效率和力矩。斩波型驱动大体上可分为两种:一种是斩波恒流驱动，另一种是斩波平滑驱动。较］’一泛应用的是斩波恒流驱动，J陌流斩波功放的优点为：(I)各相斩波频率相同，有效地抑制了因各相斩波频率不同而产生的噪声；(2)斩波频率高，消除了H频噪声，电机运行时安静无污染；(3)高频运行时电流平滑，高频性能好；步进电机细分驱动控制器的研究(4)斩波频率和脉宽可调，容易调整最佳运行状态：斩波恒流3a动电路的主回路由高压品体管、电动机绕组、品体管串联而成。与高低压驱动器不同的是，低压管发射极串联一个小的电阻接地，电动机绕组的电流经这个小电阴通地，小电阻的压降与电动机绕组电流成正比，所以这个电阻称为取样电阻。斩波恒流驱动原理图如图2-8所示。Ic,和IC2分别是两个控制门，控制T和T,两个晶体管的导通和截止。由环形分配器来的相绕组导通脉冲，送到门IC2与Ic,中，通过Ic,直接开通品体管TL，而门IC，除环形分配器来的信号之外，还有一路信号来自比较器。比较器的两个输入端，其中之一接给定电平，另一个接来自取样电阻的电压信号。在环形分配器导通脉冲到来之前，IC，和IC2都处于关门状态，输出低电平，TH和TL都截it，取样电阻中无电流流过，反馈到比较器的输入信号为零，比较器输出高电平。当环形分配器输出导通信号时，高电平使Ic，和IC:门打开，输出高电平使TH和TL两管导通，高电压经TH向电动机绕组供电。由于电动机绕组有较大电感，所以电流成指数上升，但所加电压较高，所以电流上升较快。取样电阻上的电压代表了电流的大小。当电流超过所设定值时，比较器输入的取样电压超过给定电压，比较器翻转，输出变低电平，从而IC,也输出低电平，关断高压管TH。此时磁场能量将使绕组电流按原方向继续流动，经由低压管TL,取样电阻、地线、二极管D。构成的续流回路消耗磁场的能量。此时电流将按指数曲线衰减，逐渐下降。当取样电阻上得到的电压小于给定电压时，比较器又翻转回去，输出高电平，打开高压管，电源又开始向绕组供电，电流又会上升。如此反复，电动机绕组的电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波。当环形分配器输出低电平时，高低压管都截III，此时绕组的续流与高低压时相同，经D1,D2向电源泄放。泄放回路的特点与高低压马议动时基本相同。图2-8斩波疸流驱动原理国图2一8斩波恒流驱动原理图斩波恒流驱动中，由于驭动电压较高，电动机绕组回路又不串电阻，所以电流上升很决。当到达所需要的数值时，由于取样电阻反馈控制作用，绕组电流可以恒定在确定的数值卜，而且不随电动机的转速而变化，从而保证在很大的频率范围内电动机都能输出｝陌定的转矩。在环形分配器所给出的相绕组导通时间内，电源电压并不是直向绕组供电，而只是一个个的窄脉冲，总的输入能量是各脉冲时间的电压与电流乘积积分的总和，与其它几种驰动力一式比较，取自电源的能量大幅度下降。因此，这种驭动器有很高的效率。这种驱动器的另一优点是减少电动机共振现象的发生。山于电动机共振的根本原因是能量过剩，而斩波恒流驱动输入的能量是自动随着绕组电流调节。能量过剩时，续流时间延长，而供电时间减小，因此可减小能量的积聚。实验线路的测试表明，用这种驱动器驱动步进电动机，低频共振现象基本消除，在任何频率下，电动机都可稳定运行。上述斩波恒流驱动中，斩波频率是由绕组的电感、比较器的回差等诸因素决定，没有外来的固定频率。这种斩波电路称为自激式斩波恒流电路，如果用其它办法形成固定的频率来斩波，称为他激式。恒流斩波驱动方式是在专用集成电路中最常用的获得高性能的方式。通常，步进电动机使用较高电压电源，使绕组电流几乎以直线上升到预定值，由电流检测器控制一个斩波控制电路，关断这绕组的功率开关，绕组电流在续流回路中续流并下降，下降至某一设定值或经过某一规定时间后，斩波控制电路又令主功率开关接通。如此反复控制，由功率开关的反复开关对绕组电流进行斩波控制，使电流平均值趋向丁维持恒定。具体控制方法有定频PWM方法或使用单稳电路的关断定脉宽方法，这种方式使步进电动机电流的大小和波形是，1]控的。如果电流的基准值可以设定和控制，结合后面的内容，也就是通过可实现半步、1/4步和微步距控制。H桥双极性驱动永磁式步进电机和混合式步进电机的绕组励磁必须使用双极性供电，即励磁绕组需正反向交错通以电流，这样的绕组需要H桥双极性驱动。双极性驱动的优点除效率高以外，更重要的是可以得到最佳的中低频特性，使保持力矩恒定；同时由于驱动器集成化，使其与计算机接曰非常简单，用程序代替复杂的逻辑控制，因此控制简化易于实现。步进电机细分驱动控制器的研究H桥功率集成电路包括有半桥、双半桥、四半桥、单H桥、双H桥等，功率级有达林顿品体管的或DMOS结构的。它们都有较完善的基极（或栅极）驱动电路，包括DMOS上桥臂驱动用充电泵电路，防止上下桥臂在换向时直通的连锁保护电路；还有各种对电压、电流、温度的监控保护电路，从而提高了集成电路的可靠性;它们有高开关速度，适用于开关型控制方式。H桥功率开关常用于可逆直流电动机、音圈电动机、步进电动机相绕组的双极性驱动。半桥功率开关，即推挽式功率开关可用作这些电动机绕组T型驱动，或用两个半桥构成一个H全桥，三个半桥可构成一个三相逆变桥以驱动三相交流电动机。4t1f（卜啥戈一一 -乙、了布价r‘绕全目-I卜■■ri^1]q j]-J AS1一汗图2・9R桥双极性驱动图2-9_,Sl、S4开一卜S1开H桥双极性驱动Fig.2-9H-bridgeBipolarDriving图2-9为H桥双极性驭动的一相电路。当要求实现步距角细分时，该方法就不能达到要求了，这时就要引入步进电机细分技术。在步进电机细分驱动控制器中，恒流斩波技术和H桥驭动通常是联系在起的。其典型的工作过程如下:当步进信号为高电平时，使S.导通，电流经+Vcc-S]-绕组-S4-R截止。与后面讲到的细分驱动相结合，这时就可以用电机电枢采样电阻去采样电机电枢电流，经RC网络转换为电压值后，与D/A转换器输出的预定IW1值相比较。如果当前的电流使转换的电压值小于I值，比较器输出高电平，保持S,,S4导通状态，电源电压全部加在负载上，使负载电流通过电源-S，一负载~S4-地或电源一S2一负载飞3一地的回路，以指数规律增加。接在采样电阻端的阻容网络上的电压值VRA也随之增长;当负载电流增加到或超过网值电流时，VRA随后也达到网值电压，滞后的时间与阻容网络的时间常数有关，从而使比较器翻转，触发单稳电路翻转，关断S1，绕组中的电流经Vcc-D2-绕组-D3-R释放，其大小呈指数规律衰减并趋向于零。当采用固定关断时间控制方式时，当关断时间到达的时候，则输出开关重新闭合，电枢电流又呈指数规律增长，重复前面的过程，形成电枢电流的固定关断时间斩波控制。｝几述过程重复进行，在步进信号为H电平时，可保持绕组电流在设定值处，波动极小，l_作电流非常平滑，实现恒流斩波作用。在步进信号为低电平期间，Si,S4截止，S2,S3导通，绕组电流改换方向，与上述相同，由S2,S3完成恒流斩波功能。在传感电流的输出端与地之间加入并行阻容网络，一方面将该电流转化为电1｝信号，与D/A转换器的输出的网值电压相比较，触发斩波过程;另一方Ihi通过该低通滤波器可以将电流开关噪声的影响滤除。每相由四只功率晶体管1桥组成双极性驱动方式，使每相绕组双向轮流通电。双极性驱动方式即当电机绕组中的电流反相时，定子磁通也被反相。二极管dI-D4为品体管释放电流提供通路，使晶体管截止时贮存在相绕组电感里的部分能量返回到电源，缩短晶体管关断时间。方波发生电路由RT值确定其振荡频率，为功率驱动电路提供恒频脉冲信号。检流电阻RA、基准电服VRA和比较器A。组成线圈电流检测电路，目的是控制绕组电流维持在恒定状态。有关步进电动机驱动系统的基本知识1、 系统常识：步进电动机和步进电动机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电动机驱动系统的性能，不但取决于步进电动机自身的性能，也取决于步进电动机驱动器的优劣。对步进电动机驱动器的研究几乎是与步进电动机的研究同步进行的。2、 系统概述：步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电动机驱动器接收到一个脉冲信号（来自控制器），它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。3、 系统控制：步进电动机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电动机驱动器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。4、 用途：？步进电动机是一种控制用的特种电机，作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，随着微电子和计算机技术的发展（步进电动机驱动器性能提高），步进电动机的需求量与日俱增。步进电动机在运行中精度没有积累误差的特点，使其广泛应用于各种自动化控制系统，特别是开环控制系统。？5、 步进电机按结构分类：步进电动机也叫脉冲电机，包括反应式步进电动机VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）等。（1） 反应式步进电动机：也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小（最小可做到10’）；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行频率较高。（2） 永磁式步进电动机：通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。（3） 混合式步进电动机：也叫永磁反应式、永磁感应式步进电动机，混合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步进电动机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁，两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电动机。6、 步进电动机按工作方式分类：可分为功率式和伺服式两种。（1） 功率式：输出转矩较大，能直接带动较大负载（一般使用反应式、混合式步进电动机）。（2） 伺服式：输出转矩较小，只能带动较小负载（一般使用永磁式、混合式步进电动机）。7、 步进电动机的选择：（1） 首先选择类型，其次是具体的品种与型号。（2） 反应式、永磁式和混合式三种步进电动机的性能指标、外形尺寸、安装方法、脉冲电源种类和控制电路等都不同，价格差异也很大，选择时应综合考虑。（3） 具有控制集成电路的步进电动机应优先考虑。8、步进电动机的基本参数：（1） 电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机工作时的实际步距角，实际步距角和驱动器有关。（2） 步进电动机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电动机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。步进电动机增加相数能提高性能，但步进电机的结构和驱动电源都会更复杂，成本也会增加。（3） 保持转矩（HOLDINGTORQUE）：也叫最大静转矩，是在额定静态电流下施加在已通电的步进电动机转轴上而不产生连续旋转的最大转矩。它是步进电动机最重要的参数之一，通常步进电动机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电动机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电动机。（4） 步距精度：可以用定位误差来表示，也可以用步距角误差来表示。（5） 矩角特性：步进电动机的转子离开平衡位置后所具有的恢复转矩，随着转角的偏移而变化。步进电动机静转矩与失调角的关系称为矩角特性。（6） 静态温升：指电机静止不动时，按规定的运行方式中最多的相数通以额定静态电流，达到稳定的热平衡状态时的温升。（7） 动态温升：电机在某一频率下空载运行，按规定的运行时间进行工作，运行时间结束后电机所达到的温升叫动态温升。（8） 转矩特性：它表示电机转矩和单相通电时励磁电流的关系。（9） 启动矩频特性：启动频率与负载转矩的关系称为启动矩频特性。（10） 运行矩频特性/惯频特性：略（11） 升降频时间：指电机从启动频率升到最高运行频率或从最高运行频率降到启动频率所需的时间。（12） DETENTTORQUE:是指步进电动机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易产生误解；反应式步进电动机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUEo9、 步进电动机的一些特点：步进电动机没有积累误差：一般步进电动机的精度为实际步距角的3-5%，且不累积。?????(2)步进电动机在工作时，脉冲信号按一定顺序轮流加到各相绕组上(由驱动器内的环形分配器控制绕组通断电的方式)。即使是同一台步进电动机，在使用不同驱动方案时，其矩频特性也相差很大。步进电动机与其它电动机不同，其标称额定电压和额定电流只是参考值；又因为步进电动机是以脉冲方式供电，电源电压是其最高电压，而不是平均电压，所以，步进电动机可以超出其额定值范围工作。但选择时不应偏离额定值太远。步进电动机外表允许的最高温度：步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电动机外表温度在摄氏80-90度完全正常。步进电动机的力矩会随转速的升高而下降：当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率(或速度)的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。步进电动机低速时可以正常运转，但若高于一定频率就无法启动，并伴有啸叫声。步进电动机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电动机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较低的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用(又称高速接法)，所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围(比如IM483的供电电压为12〜48VDC)，电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I的1.1〜1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I的1.5〜2.0倍。当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态(脱机状态)。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴(手动方式)，就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向，只需将电机与驱动器接线的A+和A-(或者B+和B-)对调即可。10、 步进电动机驱动器的一些特点：(1)构成步进电动机驱动器系统的专用集成电路：???A??脉冲分配器集成电路：如三洋公司的PMM8713C三/四相)、PMM8723(四相)、PMM8714(五相)等。B?包含脉冲分配器和电流斩波的控制器集成电路：如SGS公司的L297（四相）、L6506（四相）等。C?只含功率驱动（或包含电流控制、保护电路）的驱动器集成电路：如日本新电元工业公司的MTD1110（四相