步进电动机和步进驱动器的性能和作用

1、步进电动机的性能和工作方式
步进电机是将电脉冲信号转化为角位移或线位移的一位电动元件，当步进驱动器每接收一个脉冲控制信号，即驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步距角），故称为步进电机。非过载情况下，电机的转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。利用这一线性关系，可以通过控制给定信号的脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时可以控制脉冲频率来控制电机的运转速度，达到调速的目的。与普通电机相比，即具有调速性能，又具有较精确的定位功能，而且低速时的转矩较大，调速范围也更宽。
在速度和位置控制系统中，步进电机驱动系统具有运行可靠、结构简单、成本低、维修方便等优点，其步距角不会因电压、电流、温度等因素而波动，可以做到快速启动、反转和制动。在机械制造、印刷、化工等工业控制领域的应用也极为广泛。
1）两相步进电机的结构和工作原理
目前常用的有两相、三相、四相、五相步进电机。相数，是指电机内部的线圈组数，电机相数不同，其步距角也不同。下面以以两相步进电机为例，对其结构和工作原理作一简要说明。

图1 二相步进电机结构与绕组电流回路图
步距角为0.9/1.8，即整步为1.8°，半步为0.9°。一台步进电机，相数（绕组数）是固定不变的，但可运行于二相四拍或二相八拍的两种运行模式下。当运行于二相四拍模式下时，步矩角为1.8°，运行于二相八拍模式下时，步矩角为0.9°。当采用带细分的步进驱动器时，其步矩角根据细分设定值而有更大范围的变化。
步进电机的拍数：完成一个磁场周期变化所需要脉冲数（绕组导电状态），指电机转过一个齿距角
所需脉冲数。上图为二相四拍运行模式下的绕组电流回路图，K1-K4四只开关按一定次序通断——若为基本步单激励方式——任一时刻总是两只开关闭合，只形成一相电流，则形成IAB→ICD→IBA→IDC按四拍规律变化的绕组电流；若为两相激励方式——同时形成两相绕组电流，则形成IAB、ICD→IBA 、ICD→IBA、IDC→IAB、IDC按四拍规律变化的绕组电流。
如控制K1-K4开关按规律开通，使之形成按IAB→IAB、ICD→ICD→IBA→ICD→IBA→IAB、IDC→IDC→IAB、IDC按8拍变化的绕组电流，则可使步进电机工作于二相八拍的工作模式之下。实际的驱动电路——步进驱动器，即是将K1-K4换成了晶体管开关元件，控制其通断规律，完成对步进电机的驱动任务。
步进电机须由步进驱动器（由电子电路构成）驱动，因而其工作模式和步矩角的大小，取决于步进电机驱动器的相关设置。
2）步进电机驱动器的基本参数和特性
a、供电电源，可据所驱动步进电机的电源规格进行选择。交流电源供电的，如AC80V，可用220V市电经降压变压器，提供给驱动器。选用变压器时，须同时考虑电压和电流两方面的工作参数。如电流值3A，由算式80V×3A=240VA得出的是视在功率值，达不到3A的实际输出能力，应将计算结果再乘以1.5以上的系数，选用220/80V，400VA以上的变压器，作为电源输入。二相电机的供电一般为12～48V，
b、输出电流值。产品标注值往往为峰能输出能力，选用时，最低应按步进电机额定电流值的2倍以上。
输出电流的档位，一般操作面板上的拨码开关进行人工整定，如0.9A-3A。这也是一种过载保护整定，整定值可参考步进电机的工作电流值。一般有8级整定档次。
c、励磁方式：整步、半步、4细分、8细分、16细分、32细分、64细分。半步实际上是2细分，细分级别越高，步矩角越小，而电机转速越低。步进驱动器的控制面板，也设有细分拨码开关，也对细分值进行设置。
d、保持转矩（HOLDING TORQUE）：
是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电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的步进电机。
  2、步进驱动器的电路构成和工作原理
1）步进电动机驱动器的电路构成

图2 步进电动机驱动器的电路构成
步进电动机驱动器的电路构成如上图。整流电路将输出AC电源，整流滤波为直流电压，提供稳压电源的供电，并作为逆变功率电路的输入电源。部分小功率步进电动机驱动器，直接取用外供直流电源，省去了整流电路这一环节。控制电路以单片机（CPU）为核心，接收输入端子进入的控制信号，和过流检测电路输入的保护信号，输出逆变电路所需的信号脉冲，并经脉冲驱动电路进行功率放大，驱动逆变功率电路的CMOS（或IGBT）功率开关管，使负载电动机产生相应步进动作。逆变功率电路，有些机型是由单管分立零件组成，有些则与整流电路等集成于一个功率模块内部。
2）步进电动机驱动器与步进电动机和控制线路的连接
下图3为两相步进电机驱动器的接线图，控制设备可以是PLC的输出回路，也可以是其它电器设备。步进电机驱动器最重要的控制信号有两个：脉冲信号和方向信号。脉冲信号决定步进电动机的运转速度，方向信号，决定步进电动机的旋转方向。不仅仅是PLC，任何设备只要能给出这两个控制信号，便能控制步进电机的步进、转速和旋转方向。从脉冲信号输入脚输入的是频率可变的、脉冲个数可控的脉冲信号，这种信号可由纯硬件电路或软件程序生成；方向信号则为常规开关量信号。下面对步时电机驱动器的几个控制信号及其它接线做一简要的说明。

图3二相步进电机驱动器接线图
a、脉冲信号输入端（CP）：由控制设备发送脉冲个数与频率可变化的控制脉冲，控制步进电机的转速，步进距离；信号要求为矩形脉冲，脉冲宽度不低于6-10μs，信号间隔大于6-10μs，低电平幅值0-1V，高电平幅值达4-6V。工作方式，一般为脉冲边沿触发，每输入一个脉冲信号，电机转过一个步距角（步进一次）。
b、方向信号输入端（CW/CCW）：输入开关量电压信号。端子开路状态下，为静态高电平，CP端子有脉冲信号输入时，步进电机正转；控制信号生效使方向输入端为低电平时，在脉冲信号输入期间，反转。
注意：该端子控制回路，接通与断开与否，步进电机都有可能运转，只是运转方向不同罢了。机型不同，对应正、反转的电平值可能有所不同。如有的CW/CWW端子为高电平时，反转。
这两个控制端子一般为必接端子，即使只需一个转向。接入方向控制的目的，在单转向时，相当于启/停信号。
c、脱机信号输入端（FREE）：FREE指通电运行前步时进电机的静止力矩（锁定转子力矩）。一般步进驱动器，在脉冲信号无输出时，仍输出一静态直流电压，产生静止力矩以锁住转子不动。而当有脱机信号时解除自锁功能，转子处于自由状态并且不响应脉冲信号输入。
在不断电情况下，要手动调整转子位置时，为步进驱动器输入脱机信号，可使转子解除锁定状态，进行手动操作或调节，调整完毕后，再解除脱机信号。
注意：有些步进驱动器，该端子定义为HOLD（励磁控制信号输入），端子接通状态下，有转子锁定力矩产生，步进电机允许运行。端子开路状态下，反而为脱机状态。
d、故障信号输出端（ERR）：为开路集电极输出或接点输出方式，在过流、欠压、过压、电机连线接错等故障发生时，步时驱动器停止输出，同时发出故障报警信号。操作面板还有各种运行、故障指示灯，配合显示步进驱动器的工作状态。
e、输出接线端（A+/A-/B+/B-）与步进电机的绕组引线对应相连接。改变电机转向时，除改变CW/CCW端子信号外，也可以用改变输出端子的方法来改变电机转向，将A+、A-端子互调，便使步进电机的转向改变。
f、供电电源端（AC80V或DC40V）：直流供电时，可采用仪用开关电源，注意电流供给能力应大于步进电机的2倍；交流供电时，可采用220V/80V或380V/80V降压变压器，电流供给能力应大于步进电机的1.5倍以上。如果负载较轻，转速也要求较低，而步进电机与驱动器的供电电压范围又宽，可以适当降低电源供电电压，以延长电机和驱动器的寿命。
3、步进电动机驱动器检修电路

图4.二相步进电动机驱动器的检修电路
可以用NE555时基电路做一个简单的振荡器，作为步进电动机的脉冲调速信号。步进驱动器需要AC220V电源时，建议用隔离变压器隔离后送入，以保障检修过程中的人身安全；如手头有步进电动机最好，若无，可接入照明灯泡两只，用作输出指示，或直接用万用表测量判断输出状态；步进电动机的端子输入信号回路（内部电路为光耦合器），需外供电源。一般要求为5V电压级别。当信号回路的电压高于5V时，需串接限流电阻，如上图中串接的R2、R3电阻，以避免内部器件产生损坏。方向信号端子，可以空置，也可以接信号电源地，以试验正转和反转控制信号是否有效；无脉冲发生器时，可为控制端子提供控制电源，如12V，将R2瞬时对地短接一次，步进电动机输出端的灯光应该产生一次闪烁动作。步进驱动器上电后，因转矩保持功能生效，两只灯光均处于微亮状态，有一定电压输出。转速信号输入时，灯泡的亮度上升，并且灯泡的闪烁频率随给定脉冲信号的变化而变化。