步進(jìn)馬達驅動(dòng)芯片選型特點(diǎn)與步進(jìn)驅動(dòng)電路參數指標-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-01-15
步進(jìn)電機及驅動(dòng)芯片選型
1）系統常識：
步進(jìn)電機和步進(jìn)電機驅動(dòng)器構成步進(jìn)電機驅動(dòng)系統。步進(jìn)電機驅動(dòng)系統的性能，不但取決于步進(jìn)電機自身的性能，也取決于步進(jìn)電機驅動(dòng)器的優(yōu)劣。對步進(jìn)電機驅動(dòng)器的研究幾乎是與步進(jìn)電機的研究同步進(jìn)行的。
2）系統概述：
步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行元件。當步進(jìn)電機驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號（來(lái)自控制器），它就驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。
3）系統控制：
步進(jìn)電機不能直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專(zhuān)用的驅動(dòng)電源（步進(jìn)電機驅動(dòng)器）?？刂破鳎}沖信號發(fā)生器）可以通過(guò)控制脈沖的個(gè)數來(lái)控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機轉動(dòng)的速度和加速度，從而達到調速的目的。
4）用途：
步進(jìn)電機是一種控制用的特種電機，作為執行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，隨著(zhù)微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展（步進(jìn)電機驅動(dòng)器性能提高），步進(jìn)電機的需求量與日俱增。步進(jìn)電機在運行中精度沒(méi)有積累誤差的特點(diǎn)，使其廣泛應用于各種自動(dòng)化控制系統，特別是開(kāi)環(huán)控制系統。
步進(jìn)電機也叫脈沖電機，包括反應式步進(jìn)電機（VR）、永磁式步進(jìn)電機（PM）、混合式步進(jìn)電機（HB）等。
1）反應式步進(jìn)電機：
也叫感應式、磁滯式或磁阻式步進(jìn)電機。其定子和轉子均由軟磁材料制成，定子上均勻分布的大磁極上裝有多相勵磁繞組，定、轉子周邊均勻分布小齒和 槽，通電后利用磁導的變化產(chǎn)生轉矩。一般為三、四、五、六相；可實(shí)現大轉矩輸出（消耗功率較大，電流最高可達20A，驅動(dòng)電壓較高）；步距角?。ㄗ钚】勺?到六分之一度）；斷電時(shí)無(wú)定位轉矩；電機內阻尼較小，單步運行（指脈沖頻率很低時(shí)）震蕩時(shí)間較長(cháng)；啟動(dòng)和運行頻率較高。
2）永磁式步進(jìn)電機：
通常電機轉子由永磁材料制成，軟磁材料制成的定子上有多相勵磁繞組，定、轉子周邊沒(méi)有小齒和槽，通電后利用永磁體與定子電流磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉 矩。一般為兩相或四相；輸出轉矩?。ㄏ墓β瘦^小，電流一般小于2A，驅動(dòng)電壓12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；斷電時(shí)具有一 定的保持轉矩；啟動(dòng)和運行頻率較低。
3）混合式步進(jìn)電機：
也叫永磁反應式、永磁感應式步進(jìn)電機，混合了永磁式和反應式的優(yōu)點(diǎn)。其定子和四相反應式步進(jìn)電機沒(méi)有區別（但同一相的兩個(gè)磁極相對，且兩個(gè)磁極 上繞組產(chǎn)生的N、S極性必須相同），轉子結構較為復雜（轉子內部為圓柱形永磁鐵，兩端外套軟磁材料，周邊有小齒和槽）。一般為兩相或四相；須供給正負脈沖 信號；輸出轉矩較永磁式大（消耗功率相對較?。?；步距角較永磁式?。ㄒ话銥?.8度）；斷電時(shí)無(wú)定位轉矩；啟動(dòng)和運行頻率較高；是目前發(fā)展較快的一種步進(jìn) 電機。
1）電機固有步距角：
它表示控制系統每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號，電機所轉動(dòng)的角度。電機出廠(chǎng)時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如STP-59D5026型電機給出的值為 0.9°/1.8°（表示半步工作時(shí)為0.9°、整步工作時(shí)為1.8°），這個(gè)步距角可以稱(chēng)之為‘電機固有步距角’，它不一定是電機工作時(shí)的實(shí)際步距角， 實(shí)際步距角和驅動(dòng)器有關(guān)。
2）步進(jìn)電機的相數：
是指電機內部的線(xiàn)圈組數，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機。電機相數不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為 0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。步進(jìn)電機增加相數能提高性能，但步進(jìn)電機的結構和驅動(dòng)電源都會(huì )更復雜，成本也會(huì )增加。
3）保持轉矩（HOLDING TORQUE）：
也叫最大靜轉矩，是在額定靜態(tài)電流下施加在已通電的步進(jìn)電機轉軸上而不產(chǎn)生連續旋轉的最大轉矩。它是步進(jìn)電機最重要的參數之一，通常步進(jìn)電機在 低速時(shí)的力矩接近保持轉矩。由于步進(jìn)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(jìn)電機最重要的參 數之一。比如，當人們說(shuō)2N.m的步進(jìn)電機，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進(jìn)電機。
4）步距精度：
可以用定位誤差來(lái)表示，也可以用步距角誤差來(lái)表示。
5）矩角特性：
步進(jìn)電機的轉子離開(kāi)平衡位置后所具有的恢復轉矩，隨著(zhù)轉角的偏移而變化。步進(jìn)電機靜轉矩與失調角的關(guān)系稱(chēng)為矩角特性。
6）靜態(tài)溫升：
指電機靜止不動(dòng)時(shí)，按規定的運行方式中最多的相數通以額定靜態(tài)電流，達到穩定的熱平衡狀態(tài)時(shí)的溫升。
7）動(dòng)態(tài)溫升：
電機在某一頻率下空載運行，按規定的運行時(shí)間進(jìn)行工作，運行時(shí)間結束后電機所達到的溫升叫動(dòng)態(tài)溫升。
8）轉矩特性：
它表示電機轉矩和單相通電時(shí)勵磁電流的關(guān)系。
9）啟動(dòng)矩頻特性：
啟動(dòng)頻率與負載轉矩的關(guān)系稱(chēng)為啟動(dòng)矩頻特性。
10）運行矩頻特性/慣頻特性：略
11）升降頻時(shí)間：
指電機從啟動(dòng)頻率升到最高運行頻率或從最高運行頻率降到啟動(dòng)頻率所需的時(shí)間。
12）DETENT TORQUE：
是指步進(jìn)電機沒(méi)有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。DETENT TORQUE 在國內沒(méi)有統一的翻譯方式，容易產(chǎn)生誤解；反應式步進(jìn)電機的轉子不是永磁材料，所以它沒(méi)有DETENT TORQUE。
（1）步進(jìn)電機沒(méi)有積累誤差：一般步進(jìn)電機的精度為實(shí)際步距角的百分之三到五，且不累積。
（2）步進(jìn)電機在工作時(shí)，脈沖信號按一定順序輪流加到各相繞組上（由驅動(dòng)器內的環(huán)形分配器控制繞組通斷電的方式）。
（3）即使是同一臺步進(jìn)電機，在使用不同驅動(dòng)方案時(shí)，其矩頻特性也相差很大。
（4）步進(jìn)電機與其它電動(dòng)機不同，其標稱(chēng)額定電壓和額定電流只是參考值；又因為步進(jìn)電機是以脈沖方式供電，電源電壓是其最高電壓，而不是平均電壓，所以，步進(jìn)電機可以超出其額定值范圍工作。但選擇時(shí)不應偏離額定值太遠。
（5）步進(jìn)電機外表允許的最高溫度： 步進(jìn)電機溫度過(guò)高首先會(huì )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(diǎn)；一般來(lái)講，磁 性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
（6）步進(jìn)電機的力矩會(huì )隨轉速的升高而下降：當步進(jìn)電機轉動(dòng)時(shí)，電機各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢；頻率越高，反向電動(dòng)勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。
（7）步進(jìn)電機低速時(shí)可以正常運轉,但若高于一定頻率就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。
步進(jìn)電機有一個(gè)技術(shù)參數：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟 步或堵轉。在有負載的情況下，啟動(dòng)頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動(dòng)，脈沖頻率應該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)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）。
（8）四相混合式步進(jìn)電機一般由兩相驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)，因此，連接時(shí)可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機轉速較 低的場(chǎng)合使用，此時(shí)需要的驅動(dòng)器輸出電流為電機相電流的0.7倍，因而電機發(fā)熱??；并聯(lián)接法一般在電機轉速較高的場(chǎng)合使用（又稱(chēng)高速接法），所需要的驅動(dòng) 器輸出電流為電機相電流的1.4倍，因而電機發(fā)熱較大。
（9）混合式步進(jìn)電機驅動(dòng)器的供電電源電壓一般是一個(gè)較寬的范圍 （比如IM483的供電電壓為12～48VDC），電源電壓通常根據電機的工作轉速和響應要求來(lái)選擇。如果電機工作轉速較高或響應要求較快，那么電壓取值 也高，但注意電源電壓的紋波不能超過(guò)驅動(dòng)器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅動(dòng)器。
（10）供電電源電流一般根據驅動(dòng)器的輸出相電流I來(lái)確定。如果采用線(xiàn)性電源，電源電流一般可取I 的1.1～1.3倍；如果采用開(kāi)關(guān)電源，電源電流一般可取I 的1.5～2.0倍。
（11）當脫機信號FREE為低電平時(shí)，驅動(dòng)器輸出到電機的電流被切斷，電機轉子處于自由狀態(tài)（脫機狀態(tài)）。在有些自動(dòng)化設備中，如果在驅動(dòng)器 不斷電的情況下要求直接轉動(dòng)電機軸（手動(dòng)方式），就可以將FREE信號置低，使電機脫機，進(jìn)行手動(dòng)操作或調節。手動(dòng)完成后，再將FREE信號置高，以繼續 自動(dòng)控制。
（12）用簡(jiǎn)單的方法調整兩相步進(jìn)電機通電后的轉動(dòng)方向，只需將電機與驅動(dòng)器接線(xiàn)的A+和A-（或者B+和B-）對調即可。
步進(jìn)電機的運行要有一電子裝置進(jìn)行驅動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電機驅動(dòng)器，它是把控制系統發(fā)出的脈沖信號，加以放大以驅動(dòng)步進(jìn)電機。步進(jìn)電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比，控制步進(jìn)脈沖信號的頻率，可以對電機精確調速;控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數，可以對電機精確定位。
典型的步進(jìn)電機驅動(dòng)控制系統主要由三部分組成：
1）步進(jìn)控制器，由單片機實(shí)現。
2）驅動(dòng)器，把單片機輸出的脈沖加以放大，以驅動(dòng)步進(jìn)電機。
3）步進(jìn)電機。
典型的步進(jìn)電機驅動(dòng)控制電路圖如下：
1）首先選擇類(lèi)型，其次是具體的品種與型號。
2）反應式、永磁式和混合式三種步進(jìn)電機的性能指標、外形尺寸、安裝方法、脈沖電源種類(lèi)和控制電路等都不同，價(jià)格差異也很大，選擇時(shí)應綜合考慮。
3）具有控制集成電路的步進(jìn)電機應優(yōu)先考慮。
1）功率式：輸出轉矩較大，能直接帶動(dòng)較大負載（一般使用反應式、混合式步進(jìn)電機）。
2）伺服式：輸出轉矩較小，只能帶動(dòng)較小負載（一般使用永磁式、混合式步進(jìn)電機）。
1）輸出電流和電壓范圍，它決定著(zhù)電路能驅動(dòng)多大功率的電機。
2）效率，高的效率不僅意味著(zhù)節省電源，也會(huì )減少驅動(dòng)電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導通（H橋或推挽電路可能出現的一個(gè)問(wèn)題，即兩個(gè)功率器件同時(shí)導通使電源短路）入手。
3）對控制輸入端的影響。功率電路對其輸入端應有良好的信號隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現隔離。
4）對電源的影響。共態(tài)導通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染；大的電流可能導致地線(xiàn)電位浮動(dòng)。
5）可靠性。電機驅動(dòng)電路應該盡可能做到，無(wú)論加上何種控制信號，何種無(wú)源負載，電路都是安全的。
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