1、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能和工作方式
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的一位電動(dòng)元件，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器每接收一個(gè)脈沖控制信號(hào)，即驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（步距角），故稱為步進(jìn)電機(jī)。非過載情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。利用這一線性關(guān)系，可以通過控制給定信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時(shí)可以控制脈沖頻率來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，達(dá)到調(diào)速的目的。與普通電機(jī)相比，即具有調(diào)速性能，又具有較精確的定位功能，而且低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩較大，調(diào)速范圍也更寬。
在速度和位置控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，其步距角不會(huì)因電壓、電流、溫度等因素而波動(dòng)，可以做到快速啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)。在機(jī)械制造、印刷、化工等工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用也極為廣泛。
1）兩相步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理
目前常用的有兩相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。相數(shù)，是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同。下面以以兩相步進(jìn)電機(jī)為例，對(duì)其結(jié)構(gòu)和工作原理作一簡要說明。
圖1 二相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)與繞組電流回路圖
步距角為0.9/1.8，即整步為1.8°，半步為0.9°。一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，相數(shù)（繞組數(shù)）是固定不變的，但可運(yùn)行于二相四拍或二相八拍的兩種運(yùn)行模式下。當(dāng)運(yùn)行于二相四拍模式下時(shí)，步矩角為1.8°，運(yùn)行于二相八拍模式下時(shí)，步矩角為0.9°。當(dāng)采用帶細(xì)分的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，其步矩角根據(jù)細(xì)分設(shè)定值而有更大范圍的變化。
步進(jìn)電機(jī)的拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期變化所需要脈沖數(shù)（繞組導(dǎo)電狀態(tài)），指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角
所需脈沖數(shù)。上圖為二相四拍運(yùn)行模式下的繞組電流回路圖，k1-k4四只開關(guān)按一定次序通斷——若為基本步單激勵(lì)方式——任一時(shí)刻總是兩只開關(guān)閉合，只形成一相電流，則形成iab→icd→iba→idc按四拍規(guī)律變化的繞組電流；若為兩相激勵(lì)方式——同時(shí)形成兩相繞組電流，則形成iab、icd→iba 、icd→iba、idc→iab、idc按四拍規(guī)律變化的繞組電流。
如控制k1-k4開關(guān)按規(guī)律開通，使之形成按iab→iab、icd→icd→iba→icd→iba→iab、idc→idc→iab、idc按8拍變化的繞組電流，則可使步進(jìn)電機(jī)工作于二相八拍的工作模式之下。實(shí)際的驅(qū)動(dòng)電路——步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，即是將k1-k4換成了晶體管開關(guān)元件，控制其通斷規(guī)律，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)任務(wù)。
步進(jìn)電機(jī)須由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器（由電子電路構(gòu)成）驅(qū)動(dòng)，因而其工作模式和步矩角的大小，取決于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)設(shè)置。
2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的基本參數(shù)和特性
a、供電電源，可據(jù)所驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的電源規(guī)格進(jìn)行選擇。交流電源供電的，如ac80v，可用220v市電經(jīng)降壓變壓器，提供給驅(qū)動(dòng)器。選用變壓器時(shí)，須同時(shí)考慮電壓和電流兩方面的工作參數(shù)。如電流值3a，由算式80v×3a=240va得出的是視在功率值，達(dá)不到3a的實(shí)際輸出能力，應(yīng)將計(jì)算結(jié)果再乘以1.5以上的系數(shù)，選用220/80v，400va以上的變壓器，作為電源輸入。二相電機(jī)的供電一般為12～48v，
b、輸出電流值。產(chǎn)品標(biāo)注值往往為峰能輸出能力，選用時(shí)，最低應(yīng)按步進(jìn)電機(jī)額定電流值的2倍以上。
輸出電流的檔位，一般操作面板上的撥碼開關(guān)進(jìn)行人工整定，如0.9a-3a。這也是一種過載保護(hù)整定，整定值可參考步進(jìn)電機(jī)的工作電流值。一般有8級(jí)整定檔次。
c、勵(lì)磁方式：整步、半步、4細(xì)分、8細(xì)分、16細(xì)分、32細(xì)分、64細(xì)分。半步實(shí)際上是2細(xì)分，細(xì)分級(jí)別越高，步矩角越小，而電機(jī)轉(zhuǎn)速越低。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的控制面板，也設(shè)有細(xì)分撥碼開關(guān)，也對(duì)細(xì)分值進(jìn)行設(shè)置。
d、保持轉(zhuǎn)矩（holding torque）：
是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)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(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2n.m的步進(jìn)電機(jī)，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(jī)。
2、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的電路構(gòu)成和工作原理
1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電路構(gòu)成
圖2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電路構(gòu)成
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電路構(gòu)成如上圖。整流電路將輸出ac電源，整流濾波為直流電壓，提供穩(wěn)壓電源的供電，并作為逆變功率電路的輸入電源。部分小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，直接取用外供直流電源，省去了整流電路這一環(huán)節(jié)?？刂齐娐芬詥纹瑱C(jī)（cpu）為核心，接收輸入端子進(jìn)入的控制信號(hào)，和過流檢測(cè)電路輸入的保護(hù)信號(hào)，輸出逆變電路所需的信號(hào)脈沖，并經(jīng)脈沖驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)逆變功率電路的cmos（或igbt）功率開關(guān)管，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)步進(jìn)動(dòng)作。逆變功率電路，有些機(jī)型是由單管分立零件組成，有些則與整流電路等集成于一個(gè)功率模塊內(nèi)部。
2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和控制線路的連接
下圖3為兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的接線圖，控制設(shè)備可以是plc的輸出回路，也可以是其它電器設(shè)備。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器最重要的控制信號(hào)有兩個(gè)：脈沖信號(hào)和方向信號(hào)。脈沖信號(hào)決定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，方向信號(hào)，決定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。不僅僅是plc，任何設(shè)備只要能給出這兩個(gè)控制信號(hào)，便能控制步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)、轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。從脈沖信號(hào)輸入腳輸入的是頻率可變的、脈沖個(gè)數(shù)可控的脈沖信號(hào)，這種信號(hào)可由純硬件電路或軟件程序生成；方向信號(hào)則為常規(guī)開關(guān)量信號(hào)。下面對(duì)步時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的幾個(gè)控制信號(hào)及其它接線做一簡要的說明。
圖3二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線圖
a、脈沖信號(hào)輸入端（cp）：由控制設(shè)備發(fā)送脈沖個(gè)數(shù)與頻率可變化的控制脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，步進(jìn)距離；信號(hào)要求為矩形脈沖，脈沖寬度不低于6-10μs，信號(hào)間隔大于6-10μs，低電平幅值0-1v，高電平幅值達(dá)4-6v。工作方式，一般為脈沖邊沿觸發(fā)，每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角（步進(jìn)一次）。
b、方向信號(hào)輸入端（cw/ccw）：輸入開關(guān)量電壓信號(hào)。端子開路狀態(tài)下，為靜態(tài)高電平，cp端子有脈沖信號(hào)輸入時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；控制信號(hào)生效使方向輸入端為低電平時(shí)，在脈沖信號(hào)輸入期間，反轉(zhuǎn)。
注意：該端子控制回路，接通與斷開與否，步進(jìn)電機(jī)都有可能運(yùn)轉(zhuǎn)，只是運(yùn)轉(zhuǎn)方向不同罷了。機(jī)型不同，對(duì)應(yīng)正、反轉(zhuǎn)的電平值可能有所不同。如有的cw/cww端子為高電平時(shí)，反轉(zhuǎn)。
這兩個(gè)控制端子一般為必接端子，即使只需一個(gè)轉(zhuǎn)向。接入方向控制的目的，在單轉(zhuǎn)向時(shí)，相當(dāng)于啟/停信號(hào)。
c、脫機(jī)信號(hào)輸入端（free）：free指通電運(yùn)行前步時(shí)進(jìn)電機(jī)的靜止力矩（鎖定轉(zhuǎn)子力矩）。一般步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，在脈沖信號(hào)無輸出時(shí)，仍輸出一靜態(tài)直流電壓，產(chǎn)生靜止力矩以鎖住轉(zhuǎn)子不動(dòng)。而當(dāng)有脫機(jī)信號(hào)時(shí)解除自鎖功能，轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)并且不響應(yīng)脈沖信號(hào)輸入。
在不斷電情況下，要手動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)子位置時(shí)，為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器輸入脫機(jī)信號(hào)，可使轉(zhuǎn)子解除鎖定狀態(tài)，進(jìn)行手動(dòng)操作或調(diào)節(jié)，調(diào)整完畢后，再解除脫機(jī)信號(hào)。
注意：有些步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，該端子定義為hold（勵(lì)磁控制信號(hào)輸入），端子接通狀態(tài)下，有轉(zhuǎn)子鎖定力矩產(chǎn)生，步進(jìn)電機(jī)允許運(yùn)行。端子開路狀態(tài)下，反而為脫機(jī)狀態(tài)。
d、故障信號(hào)輸出端（err）：為開路集電極輸出或接點(diǎn)輸出方式，在過流、欠壓、過壓、電機(jī)連線接錯(cuò)等故障發(fā)生時(shí)，步時(shí)驅(qū)動(dòng)器停止輸出，同時(shí)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)。操作面板還有各種運(yùn)行、故障指示燈，配合顯示步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的工作狀態(tài)。
e、輸出接線端（a+/a-/b+/b-）與步進(jìn)電機(jī)的繞組引線對(duì)應(yīng)相連接。改變電機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，除改變cw/ccw端子信號(hào)外，也可以用改變輸出端子的方法來改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，將a+、a-端子互調(diào)，便使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向改變。
f、供電電源端（ac80v或dc40v）：直流供電時(shí)，可采用儀用開關(guān)電源，注意電流供給能力應(yīng)大于步進(jìn)電機(jī)的2倍；交流供電時(shí)，可采用220v/80v或380v/80v降壓變壓器，電流供給能力應(yīng)大于步進(jìn)電機(jī)的1.5倍以上。如果負(fù)載較輕，轉(zhuǎn)速也要求較低，而步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的供電電壓范圍又寬，可以適當(dāng)降低電源供電電壓，以延長電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的壽命。
3、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器檢修電路
圖4.二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的檢修電路
可以用ne555時(shí)基電路做一個(gè)簡單的振蕩器，作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖調(diào)速信號(hào)。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器需要ac220v電源時(shí)，建議用隔離變壓器隔離后送入，以保障檢修過程中的人身安全；如手頭有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最好，若無，可接入照明燈泡兩只，用作輸出指示，或直接用萬用表測(cè)量判斷輸出狀態(tài)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的端子輸入信號(hào)回路（內(nèi)部電路為光耦合器），需外供電源。一般要求為5v電壓級(jí)別。當(dāng)信號(hào)回路的電壓高于5v時(shí)，需串接限流電阻，如上圖中串接的r2、r3電阻，以避免內(nèi)部器件產(chǎn)生損壞。方向信號(hào)端子，可以空置，也可以接信號(hào)電源地，以試驗(yàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制信號(hào)是否有效；無脈沖發(fā)生器時(shí)，可為控制端子提供控制電源，如12v，將r2瞬時(shí)對(duì)地短接一次，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出端的燈光應(yīng)該產(chǎn)生一次閃爍動(dòng)作。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器上電后，因轉(zhuǎn)矩保持功能生效，兩只燈光均處于微亮狀態(tài)，有一定電壓輸出。轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入時(shí)，燈泡的亮度上升，并且燈泡的閃爍頻率隨給定脈沖信號(hào)的變化而變化。