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步进电动机和步进驱动器的性能和作用


2017-04-28 10:27   点击:44
                        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。

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