1.1  步進電動機和步進驅動器的性能和作用概述

1、步進電動機的性能和工作方式

步進電機是將電脈沖信號轉化為角位移或線位移的一位電動元件，當步進驅動器每接收一個脈沖控制信號，即驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（步距角），故稱為步進電機。非過載情況下，電機的轉速和停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響。利用這一線性關系，可以通過控制給定信號的脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。同時可以控制脈沖頻率來控制電機的運轉速度，達到調速的目的。與普通電機相比，即具有調速性能，又具有較精確的定位功能，而且低速時的轉矩較大，調速范圍也更寬。

在速度和位置控制系統中，步進電機驅動系統具有運行可靠、結構簡單、成本低、維修方便等優點，其步距角不會因電壓、電流、溫度等因素而波動，可以做到快速啟動、反轉和制動。在機械制造、印刷、化工等工業控制領域的應用也極為廣泛。

1）兩相步進電機的結構和工作原理

目前常用的有兩相、三相、四相、五相步進電機。相數，是指電機內部的線圈組數，電機相數不同，其步距角也不同。下面以以兩相步進電機為例，對其結構和工作原理作一簡要說明。

圖1-1 二相步進電機結構與繞組電流回路圖

步距角為0.9/1.8，即整步為1.8°，半步為0.9°。一臺步進電機，相數（繞組數）是固定不變的，但可運行于二相四拍或二相八拍的兩種運行模式下。當運行于二相四拍模式下時，步矩角為1.8°，運行于二相八拍模式下時，步矩角為0.9°。當采用帶細分的步進驅動器時，其步矩角根據細分設定值而有更大范圍的變化。

步進電機的拍數：完成一個磁場周期變化所需要脈沖數（繞組導電狀態），指電機轉過一個齒距角

所需脈沖數。上圖為二相四拍運行模式下的繞組電流回路圖，K1-K4四只開關按一定次序通斷——若為基本步單激勵方式——任一時刻總是兩只開關閉合，只形成一相電流，則形成IAB→ICD→IBA→IDC按四拍規律變化的繞組電流；若為兩相激勵方式——同時形成兩相繞組電流，則形成IAB、ICD→IBA 、ICD→IBA、IDC→IAB、IDC按四拍規律變化的繞組電流。

如控制K1-K4開關按規律開通，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，則可使步進電機工作于二相八拍的工作模式之下。實際的驅動電路——步進驅動器，即是將K1-K4換成了晶體管開關元件，控制其通斷規律，完成對步進電機的驅動任務。

步進電機須由步進驅動器（由電子電路構成）驅動，因而其工作模式和步矩角的大小，取決于步進電機驅動器的相關設置。

2）步進電機驅動器的基本參數和特性

a、供電電源，可據所驅動步進電機的電源規格進行選擇。交流電源供電的，如AC80V，可用220V市電經降壓變壓器，提供給驅動器。選用變壓器時，須同時考慮電壓和電流兩方面的工作參數。如電流值3A，由算式80V×3A=240VA得出的是視在功率值，達不到3A的實際輸出能力，應將計算結果再乘以1.5以上的系數，選用220/80V，400VA以上的變壓器，作為電源輸入。二相電機的供電一般為12～48V，

b、輸出電流值。產品標注值往往為峰能輸出能力，選用時，比較低應按步進電機額定電流值的2倍以上。

輸出電流的檔位，一般操作面板上的撥碼開關進行人工整定，如0.9A-3A。這也是一種過載保護整定，整定值可參考步進電機的工作電流值。一般有8級整定檔次。

c、勵磁方式：整步、半步、4細分、8細分、16細分、32細分、64細分。半步實際上是2細分，細分級別越高，步矩角越小，而電機轉速越低。步進驅動器的控制面板，也設有細分撥碼開關，也對細分值進行設置。

　　d、保持轉矩（HOLDING TORQUE）：

是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機比較重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機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，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機比較重要的參數之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。
   2、步進驅動器的電路構成和工作原理

1）步進電動機驅動器的電路構成

圖2-2 步進電動機驅動器的電路構成

步進電動機驅動器的電路構成如上圖。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。部分小功率步進電動機驅動器，直接取用外供直流電源，省去了整流電路這一環節?？刂齐娐芬詥纹瑱C（CPU）為核心，接收輸入端子進入的控制信號，和過流檢測電路輸入的保護信號，輸出逆變電路所需的信號脈沖，并經脈沖驅動電路進行功率放大，驅動逆變功率電路的CMOS（或IGBT）功率開關管，使負載電動機產生相應步進動作。逆變功率電路，有些機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功率模塊內部。

2）步進電動機驅動器與步進電動機和控制線路的連接

下圖2-3為兩相步進電機驅動器的接線圖，控制設備可以是PLC的輸出回路，也可以是其它電器設備。步進電機驅動器比較重要的控制信號有兩個：脈沖信號和方向信號。脈沖信號決定步進電動機的運轉速度，方向信號，決定步進電動機的旋轉方向。不僅僅是PLC，任何設備只要能給出這兩個控制信號，便能控制步進電機的步進、轉速和旋轉方向。從脈沖信號輸入腳輸入的是頻率可變的、脈沖個數可控的脈沖信號，這種信號可由純硬件電路或軟件程序生成；方向信號則為常規開關量信號。下面對步時電機驅動器的幾個控制信號及其它接線做一簡要的說明。

圖2-3 二相步進電機驅動器接線圖

a、脈沖信號輸入端（CP）：由控制設備發送脈沖個數與頻率可變化的控制脈沖，控制步進電機的轉速，步進距離；信號要求為矩形脈沖，脈沖寬度不低于6-10μs，信號間隔大于6-10μs，低電平幅值0-1V，高電平幅值達4-6V。工作方式，一般為脈沖邊沿觸發，每輸入一個脈沖信號，電機轉過一個步距角（步進一次）。

b、方向信號輸入端（CW/CCW）：輸入開關量電壓信號。端子開路狀態下，為靜態高電平，CP端子有脈沖信號輸入時，步進電機正轉；控制信號生效使方向輸入端為低電平時，在脈沖信號輸入期間，反轉。

注意：該端子控制回路，接通與斷開與否，步進電機都有可能運轉，只是運轉方向不同罷了。機型不同，對應正、反轉的電平值可能有所不同。如有的CW/CWW端子為高電平時，反轉。

這兩個控制端子一般為必接端子，即使只需一個轉向。接入方向控制的目的，在單轉向時，相當于啟/停信號。

c、脫機信號輸入端（FREE）：FREE指通電運行前步時進電機的靜止力矩（鎖定轉子力矩）。一般步進驅動器，在脈沖信號無輸出時，仍輸出一靜態直流電壓，產生靜止力矩以鎖住轉子不動。而當有脫機信號時解除自鎖功能，轉子處于自由狀態并且不響應脈沖信號輸入。

在不斷電情況下，要手動調整轉子位置時，為步進驅動器輸入脫機信號，可使轉子解除鎖定狀態，進行手動操作或調節，調整完畢后，再解除脫機信號。
   注意：有些步進驅動器，該端子定義為HOLD（勵磁控制信號輸入），端子接通狀態下，有轉子鎖定力矩產生，步進電機允許運行。端子開路狀態下，反而為脫機狀態。
  d、故障信號輸出端（ERR）：為開路集電極輸出或接點輸出方式，在過流、欠壓、過壓、電機連線接錯等故障發生時，步時驅動器停止輸出，同時發出故障報警信號。操作面板還有各種運行、故障指示燈，配合顯示步進驅動器的工作狀態。

e、輸出接線端（A+/A-/B+/B-）與步進電機的繞組引線對應相連接。改變電機轉向時，除改變CW/CCW端子信號外，也可以用改變輸出端子的方法來改變電機轉向，將A+、A-端子互調，便使步進電機的轉向改變。

f、供電電源端（AC80V或DC40V）：直流供電時，可采用儀用開關電源，注意電流供給能力應大于步進電機的2倍；交流供電時，可采用220V/80V或380V/80V降壓變壓器，電流供給能力應大于步進電機的1.5倍以上。如果負載較輕，轉速也要求較低，而步進電機與驅動器的供電電壓范圍又寬，可以適當降低電源供電電壓，以延長電機和驅動器的壽命。

3、步進電動機驅動器檢修電路

1-4 二相步進電動機驅動器的檢修電路

   可以用NE555時基電路做一個簡單的振蕩器，作為步進電動機的脈沖調速信號。步進驅動器需要AC220V電源時，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；如手頭有步進電動機比較好，若無，可接入照明燈泡兩只，用作輸出指示，或直接用萬用表測量判斷輸出狀態；步進電動機的端子輸入信號回路（內部電路為光耦合器），需外供電源。一般要求為5V電壓級別。當信號回路的電壓高于5V時，需串接限流電阻，如上圖中串接的R2、R3電阻，以避免內部器件產生損壞。方向信號端子，可以空置，也可以接信號電源地，以試驗正轉和反轉控制信號是否有效；無脈沖發生器時，可為控制端子提供控制電源，如12V，將R2瞬時對地短接一次，步進電動機輸出端的燈光應該產生一次閃爍動作。步進驅動器上電后，因轉矩保持功能生效，兩只燈光均處于微亮狀態，有一定電壓輸出。轉速信號輸入時，燈泡的亮度上升，并且燈泡的閃爍頻率隨給定脈沖信號的變化而變化。變頻器維修  15515598858   網址：www.cntjjp.com.cn