步進電機的工作原理

1、 步進電機 1、 分類分類概要-工作原理2、 特點特性1.主要特點2.主要特性3.驅動器的特點3、 步進電機的類型和接線4、 優(yōu)點缺點5、 驅動要求6、 步進電機的細分七、步進電機發(fā)熱問題如何避免八、步進電機在控制系統(tǒng)中的應用1，步進電機工作原理步進電機是將給定的電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。給定一個電脈沖信號，步進電機轉子就轉過相應的角度，這個角度就稱作該步進電機的步距角。連續(xù)給定脈沖信號，步進電機就可以連續(xù)運轉。由于電脈沖信號與步進電機轉角存在的這種線性關系，使得步進電機在速度控制、位置控制等方面得到了廣泛的應用。步進電機的使用至少需要三個方面的配合，一是電脈沖信號發(fā)生器，

2、它按照給定的設置重復為步進電機輸送電脈沖信號，這種信號大多數(shù)由可編程控制器或單片機來完成；二是驅動器(信號放大器)，它除了對電脈沖信號進行放大、驅動步進電機轉動以外，還可以通過它改善步進電機的使用性能；三是步進電機，它有多種控制原理和型號，現(xiàn)在常用的有反應式、感應子式、混合式等。步進電機的速度控制是通過輸入的脈沖頻率快慢實現(xiàn)的。當發(fā)生脈沖的頻率減小時，步進電機的速度就下降；反之，速度就加快。還可以通過頻率的改變而提高步進電機的速度或位置精度。步進電機的位置控制是靠給定的脈沖數(shù)量控制的。給定一個脈沖，轉過一個步距角，當停止的位置確定以后，也就決定了步進電機需要給定的脈沖數(shù)。 2，永磁式步進電機

3、永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；永磁式步進電動機輸出力矩大，動態(tài)性能好，但步距角大。 ,3，反應式步進電機反應式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。反應式步進電動機結構簡單，生產成本低，步距角??；但動態(tài)性能差。 4，混合式步進電機混合式步進電動機綜合了反應式、永磁式步進電動機兩者的優(yōu)點，它的步距角小，出力大，動態(tài)性能好，是目前性能最高的步進電動機。它有時也稱作永磁感應子式步進電動機。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8

4、度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。 二、特點特性1，主要特點1一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。 2步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應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。 3步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，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

5、減小，從而導致力矩下降。 4步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數(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。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術的發(fā)展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。 2，主要特性1 步進電機必須加驅動才可以運轉，

6、 驅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?shù)拿}沖信號，就會以一定的角度（稱為步角）轉動。轉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，可以方便的改變轉動的方向。因此，目前打印機，繪圖儀，機器人，等等設備都以步進電機為動力核心。 3，驅動器的特點（1）構成步進電機驅動器系統(tǒng)的專用集成電路A、脈沖分配器集成電路。B、包含脈沖分配器和電流斬波的控制器集成電路。 C、只含功率驅動（或包含電流控制、保護電路）的驅動器集成電路。 D、將脈沖分配器、功

7、率驅動、電流控制和保護電路都包括在內的驅動控制器集成電路，。 （2）“細分驅動”概述：將“電機固有步距角”細分成若干小步的驅動方法，稱為細分驅動，細分是通過驅動器精確控制步進電機的相電流實現(xiàn)的，與電機本身無關。其原理是，讓定子通電相電流并不一次升到位，而斷電相電流并不一次降為0（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級近似階梯波），則定子繞組電流所產生的磁場合力，會使轉子有N個新的平衡位置（形成N個步距角）。三、步進電機的類型和接線l 單極性步進電機 這種步進電機之所以稱為單極性是因為每個繞組中電流僅沿一個方向流動。它也被稱為兩線步進電機，因為它只含有兩個線圈。兩個線圈的極性相反，卷繞在同一鐵芯上

8、，具有同一個中間抽頭。單極性步進電機還被稱為 4 相步進電機，因為它有 4個激勵繞組。單極性步進電機的引線有 5 或6根。如果步進電機的引線是 5 根，那么其中一根是公共線(連接到 V+)，其他 4 根分別連到電機的 4 相。如果步進電機的引線是 6 根，那么它是多段式單極性步進電機有兩個繞組，每個繞組分別有一個中間抽頭引線。1分辨5 線單極性步進電機接頭 2分辨6 線單極性步進電機接頭 回收打印機舊電機時最常遇到這種類型的單極性步進電機。6 線單極性步進電機通?？雌饋硐袷莾蓚€單段式電機疊放在一起，每個單段有 3 根線引出(參見圖 6)。這種步進電機的引線非常容易分辨。 分辨 6 線步進電機引

9、線順序的工作相當簡單。如果它的結構形式是多段式步進電機，那么引線的順序實際上已經(jīng)給出了，用數(shù)字萬用表可以找出每對繞組的公共線。只要保持繞組對的兩根引線對應一致，它們的順序并無關緊要，僅會影響電機的旋轉方向而已。 l 單極性步進電機的步進方式 單極性步進電機可以來用三種步進方式：單拍、雙拍、半拍方式。單拍步進方式是指每次僅給一個繞組通電，結果導致轉子旋轉，并運動到轉子永磁體與具有相反極性的繞組對齊的位置。雙拍方式同時給兩個組通電，這樣就導致轉子旋轉，并在永磁體到達兩個通電繞組的中間位置點時平衡。雙拍方式的優(yōu)點是比單拍方式多獲得 41.4的輸出力矩，不過代價是需要花費后者兩倍的能量，因為它有兩相繞

10、組同時通電。最后，半拍方式工作時則讓兩個繞組通電與單個繞組通電方式交替地進行。半拍方式的輸出力矩比雙拍方式小，隨設計不同，在 15 30之間變化，不過它可以獲得雙拍方式兩倍的步進分辨率(每周兩倍的步數(shù))。 l 雙極性步進電機 雙極性步進電機之所以如此命名，是因為每個繞組都可以兩個方向通電。因此每個繞組都既可以是 N 極又可以是 S 極。它又被稱為單繞組步進電機，因為每極只有單一的繞組，它還被稱為兩相步進電機，為具有兩個分離的線圈。 雙極性步進電機有四根引線，每個繞組兩條。與同樣尺寸和重量的單極性步進電極相比，雙極性步進電機具有更大的驅動能力，原因在于其磁極(不是中間抽頭的單一線圈)中的場強是單

11、性步進電機的兩倍。雙極性步進電機的每個繞組需要一個可逆電源，通常由 H 橋驅動電路提供。由于雙極性步進電機比單極性步進電機的輸出力矩大，因此總是應用于空間有限的設計中。這也是軟盤驅動器的磁頭步進機械系統(tǒng)的驅動之所以總是采用雙極性步進電機的原因。 可以相當簡單地使用數(shù)字萬用表來查找兩個繞組。如果在某兩根引線之間能夠測量到阻值，那么這兩根引線之間就屬于一個繞組，其他兩根線之間是另外一個繞組。雙極性步進電機的步距通常是 1.8°，也就是 200 步。 l 雙極性步進電機的步進方式 雙極性步進電機具有和單極性步進電機相同的步進方式，僅僅由于繞組配置的不同，在實現(xiàn)上存在一些差別。l 步進驅動方

12、式的相似之處 如果讀者是聰明的，或者在實踐時很細心，也許就會注意到單極性步進電機和雙極性步進電機在步進驅動方式上是極其相似的。l 通用步進電機 1，分辨通用步進電機繞組的極性 2配置通用步進電機極性的方法 l 有關步進電機極性配置的結束語 至今為止，讀者可能已看到了 6 線單極性步進電機和串聯(lián)配置的通用步進電機之間的令人驚異的相同點。事實上，可以通過忽略兩條公共繞組的連接，將一個 6 線單極性步進電機用作雙極性步進電機。作者已經(jīng)測試過，并且工作狀態(tài)良好。 如何獲得步進電機 如今步進電機的價格仍然比較昂貴，但幸運的是，它們在舊貨市場上比較常見。幾乎在每一家舊貨商店中都有剩余步進電機處理出售。麻煩

13、的是，很少有商店能向顧客提供步進電機的規(guī)格性能說明書，因為他們也不知道。如果知道，他們當然是會提供的。四、優(yōu)缺點1，優(yōu)點1 電機旋轉的角度正比于脈沖數(shù)； 2 電機停轉的時候具有最大的轉矩（當繞組激磁時）； 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性； 4 優(yōu)秀的起停和反轉響應； 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，這使得電機的結構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軸上也可以極低速的同步旋轉。 8 由于速度正比于脈沖頻

14、率，因而有比較寬的轉速范圍。 2，缺點1 如果控制不當容易產生共振； 2 難以運轉到較高的轉速。 3. 難以獲得較大的轉矩 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。 五、驅動原理及要求原理步進電機必須有驅動器和控制器才能正常工作。驅動器的作用是對控制脈沖進行環(huán)形分配、功率放大，使步進電機繞組按一定順序通電，控制電機轉動。以兩相步進電機為例，當給驅動器一個脈沖信號和一個正方向信號時，驅動器經(jīng)過環(huán)形分配器和功率放大后，給電機繞組通電的順序為，其四個狀態(tài)周而復始進行變化，電機順時針轉動；若方向信號變?yōu)樨摃r，通電時序就變?yōu)?電機就逆時針轉動

15、。 分析步進電機驅動電路原理圖，當T 導通時有：R 為電路中存在的等效電阻。如果，電機不轉動，感應電動勢E0，則：要求（1） 能夠提供較快的電流上升和下降速度，使電流波形盡量接近矩形。具有供截止期間釋放電流流通的回路，以降低繞組兩端的反電動勢，加快電流衰減。 （2） 具有較高韻功率及效率。步進電機驅動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉化為步進電機的角位移，或者說：控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號，通過驅動器就使步進電機旋轉一個步距角。也就是說步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。所以控制步進脈沖信號的頻率，就可以對電機精確調速；控制步進脈沖的個數(shù)，就可以對電機精確定位。步進電機驅動器有很多，我們應以實

16、際的功率要求合理的選擇驅動器，下面分別介紹各類典型的驅動器。 六、步進電機的細分步進電機是一種將離散的電脈沖信號轉化成相應的角位移或線位移的電磁機械裝置,它具有轉矩大、慣性小、響應頻率高等優(yōu)點，已經(jīng)在當今工業(yè)上得到廣泛的應用，但其步矩角較大，一般為1.5o3o，往往滿足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。實現(xiàn)細分驅動是減小步距角、提高步進分辨率、增加電機運行平穩(wěn)性的一種行之有效的方法。本文在選擇了合理的電流波形的基礎上，提出了基于Intel 80C196MC單片機控制的步進電機恒轉矩細分驅動方案，其運行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很強的實用性細分控制原理： 在步進電機步距角不能滿足使

17、用要求時，可采用細分驅動器來驅動步進電機。細分驅動器的原理是通過改變A，B相電流的大小，以改變合成磁場的夾角，從而可將一個步距角細分為多步。仍以二相步進電機為例，當A、B相繞組同時通電時，轉子將停在A、B相磁極中間，如圖若通電方向順序按AA AA BB BB BB AA AA AA BB BB BB AA,8 個狀態(tài)周而復始進行變化，電機順時針轉動；電機每轉動一步，為45度，8個脈沖電機轉一周。與圖2.1相比， 它的步距角小了一半。驅動器一般都具有細分功能，常見的細分倍數(shù)有：1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64；或：1/5，1/10，1/20。細分后步進電機步距角按下列方法計算

18、：步距角= 電機固有步距角/ 細分數(shù)例如：一臺1.8°電機設定為4細分，其步距角為1.8°/ 4 = 0.45°。當細分等級大于1/4后，電機的定位精度并不能提高，只是電機轉動更平穩(wěn)。1，細分電流波形的選擇及量化步進電機的細分控制，從本質上講是通過對步進電機的勵磁繞組中電流的控制，使步進電機內部的合成磁場為均勻的圓形旋轉磁場，從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。因此，要想實現(xiàn)對步進電機的恒轉矩均勻細分控制，必須合理控制電機繞組中的電流，使步進電機內部合成磁場的

19、幅值恒定，而且每個進給脈沖所引起的合成磁場的角度變化也要均勻。我們知道在空間彼此相差2p/m的m相繞組，分別通以相位上相差2p/m而幅值相同的正弦電流，合成的電流矢量便在空間作旋轉運動，且幅值保持不變。這點對于反應式步進電機來說比較困難，因為反應式步進電機的旋轉磁場只與繞組電流的絕對值有關，而與電流的正反流向無關。以比較經(jīng)濟合理的方式對三相反應式步進電機實現(xiàn)步距角的任意細分，繞組電流波形宜采用如圖1所示的形式。圖中，a為電機轉子偏離參考點的角度。ib滯后于ia，ic超前于ia。此時，合成電流矢量在所有區(qū)間bIme-ja，從而保證合成磁場幅值恒定，實現(xiàn)電機的恒轉矩運行。且步進電機在這種情況下也最

20、為平穩(wěn)。將繞組電流根據(jù)細分倍數(shù)均勻量化后，所得細分步距角也是均勻的。為了進一步得到更加均勻的細分步距角，可通過實驗測取一組在通入量化電流波形時的步進電機細分步距的數(shù)據(jù)，然后對其誤差進行差值補償，求得實際的補償電流曲線。這些工作大部分由計算機來完成。步進電機是一種將離散的電脈沖信號轉化成相應的角位移或線位移的電磁機械裝置,它具有轉矩大、慣性小、響應頻率高等優(yōu)點，已經(jīng)在當今工業(yè)上得到廣泛的應用，但其步矩角較大，一般為1.5o3o，往往滿足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。實現(xiàn)細分驅動是減小步距角、提高步進分辨率、增加電機運行平穩(wěn)性的一種行之有效的方法。本文在選擇了合理的電流波形的基礎上，提

21、出了基于Intel 80C196MC單片機控制的步進電機恒轉矩細分驅動方案，其運行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很強的實用性。圖2 硬件系統(tǒng)原理框圖    步進電機的細分控制，從本質上講是通過對步進電機的勵磁繞組中電流的控制，使步進電機內部的合成磁場為均勻的圓形旋轉磁場，從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。因此，要想實現(xiàn)對步進電機的恒轉矩均勻細分控制，必須合理控制電機繞組中的電流，使步進電機內部合成磁場的幅值恒定，而且每個進給脈沖所引起的合成磁場的角度變化也要均勻。我

22、們知道在空間彼此相差2p/m的m相繞組，分別通以相位上相差2p/m而幅值相同的正弦電流，合成的電流矢量便在空間作旋轉運動，且幅值保持不變。這點對于反應式步進電機來說比較困難，因為反應式步進電機的旋轉磁場只與繞組電流的絕對值有關，而與電流的正反流向無關。以比較經(jīng)濟合理的方式對三相反應式步進電機實現(xiàn)步距角的任意細分，繞組電流波形宜采用如圖1所示的形式。圖中，a為電機轉子偏離參考點的角度。ib滯后于ia，ic超前于ia。此時，合成電流矢量在所有區(qū)間bIme-ja，從而保證合成磁場幅值恒定，實現(xiàn)電機的恒轉矩運行。且步進電機在這種情況下也最為平穩(wěn)。將繞組電流根據(jù)細分倍數(shù)均勻量化后，所得細分步距角也是均勻

23、的。為了進一步得到更加均勻的細分步距角，可通過實驗測取一組在通入量化電流波形時的步進電機細分步距的數(shù)據(jù)，然后對其誤差進行差值補償，求得實際的補償電流曲線。這些工作大部分由計算機來完成。在取得校正后的量化電流波形之后，以相應的數(shù)字量存儲于EEPROM中的不同區(qū)域，量化的程度決定了細分驅動的分辨率。2.斬波恒流細分驅動方案及硬件實現(xiàn)斬波恒流細分驅動方案的原理為：由單片機輸出EEPROM中存儲的細分電流控制信號，經(jīng)D/A轉換成模擬電壓信號，再與取樣信號進行比較，形成斬波控制信號，控制各功率管前級驅動電路的導通和關斷，實現(xiàn)繞組中電流的閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)步距的精確細分。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。3.控制電

24、路控制電路主要由80C196MC單片機、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲器及可編程鍵盤/顯示控制器Intel-8279等組成，受控步進電機的細分倍數(shù)、運行脈沖頻率、正反轉、運行速度、單次運行線位移、啟/停等的控制，既可由鍵盤輸入，也可以通過串行通信接口由上位機設置。狀態(tài)顯示提供當前通電相位、相電流大小、電機運行時間、正反轉、當前運行速度、線位移及相關計數(shù)等信息顯示，并將工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳送給上位機。傳感器(霍爾傳感器)用于檢測計數(shù)器的當前值。單片機是控制系統(tǒng)的核心其主要功能是輸出EEPROM中存儲的細分電流控制信號進行D/A轉換。根據(jù)轉換精度的要求，D/A轉換器既可以選擇8位的，亦

25、可選擇12位的。本控制系統(tǒng)選用的是8位D/A轉換器MAX516，MAX516把4個D/A轉換器與4個比較器組合在單個的CMOS IC上，4個D/A轉換器共享一個參考輸入電壓VREF。每個轉換器的輸出電壓均可采用下式表示：VDACi=VREFN/256N0，l，.，255，對應于8位的DAC的輸入碼D0D7(此處為細分電流控制信號)。通過調節(jié)VREF的變化范圍，便可調節(jié)步進電機繞組中電流的幅值。4.功率驅動電路工作中，步進電機細分電流控制信號的D/A轉換值Ui輸入到MAX516內部各比較器COMPi的同向輸入端，繞組電流取樣信號Vi輸入到COMPi的反向輸入端。斬波恒流驅動采用固定頻率的方波與比

26、較器輸出信號調制成斬波控制信號，控制繞組的通電時間，使反饋電壓Vi始終跟隨D/A轉換輸出的控制電壓Ui。合理選擇續(xù)流回路就可使繞組中的電流值在一定的平均值上下波動，且波動范圍不大。調制用方波信號頻率為21.74KHz，由80C196MC的P6.6/PWM0端產生，且各相是同頻斬波，不會產生差拍現(xiàn)象，所以消除了電磁噪聲。為防止因比較器漂移或干擾導致功率開關管誤導通，讓斬波控制信號和相序控制信號相與后控制功放管。當開關管截止時，并聯(lián)RC、快恢復續(xù)流二極管D、繞組L及主電源構成泄放回路。與單純電阻釋能電路相比，RC釋能電路使功耗和電流紋波增加較小，而電流下降速度大大加快。電流取樣信號由精密電流傳感放

27、大器MAX471完成。當繞組電流流過其內部35m精密取樣電阻時，經(jīng)內部電路變化，轉換為輸出電壓信號：VOUT=ROUT×(ILOAD×500mA/A)其中ROUT為MAX471外部調壓電阻，阻值按設計要求選定。ILOAD為流過精密電阻的相繞組電流。MAX471同時具有電流檢測與放大功能，從而大大方便了整個電路的設計與調試功率開關管(功放管)是功放電路中的關鍵部分，影響著整個系統(tǒng)的功耗和體積。由于所設計的驅動器主要用來驅動額定電流3A、額定電壓27V以下的步進電機，故選用高頻VMOS功率場效應晶體管IRF540(VDS=100V，RDS(on)=0.052W，ID=27A)作

28、為開關管。IRF540導通電阻很小，因此，即使電機長時間運轉，該VMOS管殼本身的溫度也比較低，無須外加風扇為了提高步進電機的工作可靠性，消除電機電感性繞組的串擾，本系統(tǒng)無論從驅動部分還是反饋部分都進行了隔離。驅動隔離采用高速光電耦合器6N137為隔離元件，一方面可以實現(xiàn)前級控制電路同步進電機繞組的隔離；另一方面使功率開關管的驅動變得方便可靠。反饋通道的濾波部分采用無源低通濾波器，其作用是高速衰減繞組(電感線圈)在開關時截止頻率以上的瞬時高頻電壓信號，從而避免控制電路做出太迅速的反應，可以有效地防止步進電機的振蕩。線性光耦合電路的作用是將濾波后的采樣電阻反饋信號線性地傳輸給比較器。5.軟件設計

29、步進電機細分驅動系統(tǒng)的軟件主要由主控程序、細分驅動程序、鍵處理程序、顯示數(shù)據(jù)處理及顯示驅動程序、通信監(jiān)控程序等部分組成。細分驅動電路的主控制程序控制整個程序的流程，主要完成程序的初始化、中斷方式的設置、計數(shù)器工作方式的設置及相關子程序的調用等。初始化包括8279各寄存器、8279的顯示RAM、80C916MC的中斷系統(tǒng)及內部RAM等。在80C196MC的各中斷中，使用了INT15、INT14和INT13這三個中斷，其中，INT15為高優(yōu)先級。在運行狀態(tài)下，當有停止鍵按下時，則INT15中斷服務程序將T1關閉，從而使步進電機停止。T1控制每一步的步進周期，該服務程序基本上只作重置定時器和置標志位

30、的操作，而其它操作均在主程序中完成。主程序流程圖見本刊網(wǎng)站。細分驅動程序中，細分電流控制信號的輸出采用單片機片內EEPROM軟件查表法，用地址選擇來實現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細分，從而實時控制步進電機的轉角位置。其流程圖如圖4所示。步進電機的正反轉控制是通過改變電機通電相序來實現(xiàn)的。為達到對步進電機啟/停運行過程的快速和精確控制，從其動力學特性出發(fā)，推導出符合步進電機矩頻特性的曲線應該是指數(shù)型運行曲線，并將這一曲線量化后，存入EEPROM。步進電機在運行過程中，每個通電狀態(tài)保持時間的長短，由當前速度對應的延時時間值決定。圖3 步進電機細分驅動控制主程序流程圖七步進電機發(fā)熱問題如何避免步進電機

31、作為一種數(shù)字式執(zhí)行元件，在運動控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用。許多用戶朋友在使用步進電機的時候，感覺電機工作時有較大的發(fā)熱，心存疑慮，不知這種現(xiàn)象是否正常。實際上發(fā)熱是步進電機的一個普遍現(xiàn)象，但怎樣的發(fā)熱程度才算正常，以及如何盡量減小步進電機發(fā)熱呢?首先，要了解步進電機為什么會發(fā)熱對于各種步進電機而言，內部都是由鐵芯和繞組線圈組成的。繞組有電阻，通電會產生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標準的直流或正弦波，還會產生諧波損耗;鐵心有磁滯渦流效應，在交變磁場中也會產生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來，從而影響

32、電機的效率。步進電機一般追求定位精度和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成分高，電流交變的頻率也隨轉速而變化，因而步進電機普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機嚴重。再者，將步進電機發(fā)熱控制在合理范圍內電機發(fā)熱允許到什么程度，主要取決于電機內部絕緣等級。內部絕緣性能在高溫下(130度以上)才會被破壞。所以只要內部不超過130度，電機便不會損壞，而這時表面溫度會在90度以下。所以，步進電機表面溫度在70-80度都是正常的。簡單的溫度測量方法有用點溫計的，也可以粗略判斷：用手可以觸摸1-2秒以上，不超過60度;用手只能碰一下，大約在70-80度;滴幾滴水迅速氣化，則90度以上了；當然也可

33、以用測溫槍來檢測。第三，步進電機發(fā)熱隨速度變化的情況采用恒流驅動技術時，步進電機在靜態(tài)和低速下，電流會維持相對恒定，以保持恒力矩輸出。速度高到一定程度，電機內部反電勢升高，電流將逐步下降，力矩也會下降。因此，因銅損帶來的發(fā)熱情況就與速度相關了。靜態(tài)和低速時一般發(fā)熱高，高速時發(fā)熱低。但是鐵損(雖然占的比例較小)變化的情況卻不盡然，而電機整個的發(fā)熱是二者之和，所以上述只是一般情況。第四，發(fā)熱帶來的影響電機發(fā)熱雖然一般不會影響電機的壽命，對大多數(shù)客戶來說沒必要理會。但是，嚴重的發(fā)熱會帶來一些負面影響。如電機內部各部分熱膨脹系數(shù)不同導致結構應力的變化和內部氣隙的微小變化，會影響電機的動態(tài)響應，高速會容

34、易失步。又如有些場合不允許電機的過度發(fā)熱，如醫(yī)療器械和高精度的測試設備等。因此對電機的發(fā)熱應當進行必要的控制。最后，減少電機的發(fā)熱減少發(fā)熱，就是減少銅損和鐵損。 減少銅損有兩個方向，減少電阻和電流，這就要求在選型時盡量選擇電阻小和額定電流小的電機，對兩相電機，能用串聯(lián)的電機就不用并聯(lián)電機。但是這往往與力矩和高速的要求相抵觸。對于已經(jīng)選定的電機，則應充分利用驅動器的自動半流控制功能和脫機功能，前者在電機處于靜態(tài)時自動減少電流，后者干脆將電流切斷。另外，細分驅動器由于電流波形接近正弦，諧波少，電機發(fā)熱也會較少。 減少鐵損的辦法不多，電壓等級與之有關，高壓驅動的電機雖然會帶來高速特性的提升，但也帶來

35、發(fā)熱的增加。所以應當選擇合適的驅動電壓等級，兼顧高速性，平穩(wěn)性和發(fā)熱，噪音等指標。八、步進電機的應用隨著新材料、新技術的發(fā)展及電子技術和計算機的應用, 步進電動機及驅動器的研制和發(fā)展進入了新階段。步進電機除了結構簡單、使用維護方便、工作可靠, 在精度高等特點。還有下列優(yōu)點: 步距值不受各種干擾因素的影響。轉子運動的速度主要取決于脈沖信號的頻率。轉子運動的總位移量則取決于總的脈沖信號數(shù)。誤差不積累。步進電動機每走一步所轉過的角度與理論步距值之間總有一定的誤差, 走任意步數(shù)以后, 也總有一定的誤差。但每轉一圈的累積誤差為零, 所以步距的誤差不積累?？刂菩阅芎?。起動、轉向及其他任何運行方式的改變,

36、都在少數(shù)脈沖內完成。在一定的頻率范圍內運行時, 任何運行方式都不會丟一步的。由于步進電動機有上述特點和優(yōu)點而廣泛應用在機械、治金、電力、紡織、電信、電子、儀表、化工、輕工、辦公自動化設備、醫(yī)療、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工業(yè)等國防工業(yè)等領域。 1步進電機在物料計量方面的應用1.粉狀物料的計量 螺桿計量是常用的容積式計量方式，它是通過螺桿旋轉的圈數(shù)多少來達到計量的多少，為了達到計量大小可調和提高計量精度的目的，要求螺桿的轉速可調和位置定位準確，使用步進電機可以同時滿足這兩個方面的要求。 例如粉劑包裝機的計量采用了步進電機控制螺桿的轉速和轉數(shù)，不僅簡化了機械結構，而且使得控制非常方便。在不過

37、載的情況下，步進電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，這與電磁離合器控制的螺桿計量相比，具有明顯的精度優(yōu)勢，更加適合于比重變化比較大的物料計量。步進電機與螺桿采用直接連接的方式，結構簡單，維修方便。值得指出的是，如步進電機的過載能力較代，當輕微過載時，就會出現(xiàn)相當大的噪聲。因此，在計量工況確定以后，就要選用較大的過載系數(shù)，以保證步進電機平衡工作。2.粘稠體物料的計量齒輪泵在輸送粘稠體方面得到了廣泛的應用，例如糖漿、白酒、油料、番茄醬等的輸送。目前在對這些物料的計量方面大多使用活塞泵，存在著調整困難、結構復雜、不便維修、功耗大、計量不準等缺點。而齒輪泵計量是

38、靠一對齒輪嚙合轉動計量的，物料通過齒與齒的空間被強制從進料口送到出料口。動力來自步進電機，步進電機轉動的位置及速度由可編程控制器控制，計量精度高于活塞泵的計量精度。步進電機適于在低速下運行，當速度加快時，步進電機的噪聲會明顯加大，其它經(jīng)濟指標會顯著下降。對于轉速比較高的齒輪泵來說，選用升速結構比較好。我們在粘稠體包裝機上開始采用的是步進電機直聯(lián)齒輪泵的結構，噪聲難以避免，采用直齒輪升速的辦法，降低了步進電機的速度，噪聲得到了控制，可靠性也有所提高，計量精度得到了保證。2.步進電動機在紅外窯爐監(jiān)控系統(tǒng)中的應用回轉窯筒體溫度紅外掃描計算機監(jiān)測系統(tǒng)由安裝在控制室的工業(yè)計算機系統(tǒng)和安裝在窯體現(xiàn)場的紅外

39、測溫儀、窯體位置編碼器(碼盤) 、窯體同步信號發(fā)生器及現(xiàn)場設備箱體等組成。通過檢測窯體的同步信號和碼盤數(shù)據(jù)來控制步進電動機的速度及方向,即紅外掃描的速度和方向；采集當前溫度值及碼盤數(shù)據(jù)并向上位機實時傳送,通過上位機完成數(shù)據(jù)的存儲、顯示、報警。窯體的一端裝有同步觸發(fā)裝置及測量旋轉角度的碼盤。在測量過程中,窯體本身作旋轉運動,由步進電動機所帶的紅外探頭作軸向掃描。紅外探頭的掃描檢測為單方向的,即沿軸向從左向右掃描采集溫度值,遇到右限位開關則快速返回不進行采集數(shù)據(jù)。規(guī)定在窯爐的一個旋轉周期內每隔90°為一個新的掃描起。窯爐旋轉一周完成四次軸向掃描;在下一個窯爐旋轉周期內的起始掃描位置將滯后

40、于前一個旋轉周期內的起始掃描點9°,這樣窯爐旋轉10周可以實現(xiàn)一個完整的窯體體表溫度掃描過程,保證整個爐面沒有盲區(qū)。因為步進電動機的角位移量與輸入脈沖嚴格成正比關系,步進電動機沒有累計誤差,具有良好的開環(huán)跟隨性;動態(tài)響應快,調速與定位控制性能好;角位移變化范圍寬,而且通過驅動器的分析,控制精度將大幅度提高。采用二相步進電動機,由步進電動機驅動紅外探頭作軸向掃描,配套驅動器為RD - 0214M8,可以實現(xiàn)八細分,最小步距角為01225°。在軸向掃描采樣過程中,雖然采樣點的間隔是均勻的,但步進電動機在每次抵達下一個采樣點時所轉過的角度不同,必須根據(jù)掃描距離的變化動態(tài)調整步進電動機的脈沖數(shù)。而且調整規(guī)則與紅外探頭相對于窯爐的安裝位置有關,窯爐旋轉速度變化則采集的速度作相應變化,旋轉到預定位置即進行采樣。3步進電動機在數(shù)控機床中的應用 對普通機床的數(shù)控改造,是數(shù)控技術應用的重要一方面,特別是對我國在本世紀來說,就顯得尤為重要。步進電動機驅動裝置可直接接收指令脈沖信號,且可直