步進(jìn)電機控制器-步進(jìn)電機控制器設計方案及參數測量分析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-05-18
步進(jìn)電機控制器
一、步進(jìn)電機驅動(dòng)電路
在H橋電路的基礎上設計步進(jìn)電機驅動(dòng)電路。采用分立元件MOS管搭建雙H橋驅動(dòng)電路是成熟的電機控制方案，電路不復雜，性能可靠，根據MOS管的不同工作電流的上限甚至可以高達數十安培，是理想的步進(jìn)電機驅動(dòng)器方案。MOS管H橋驅動(dòng)電路有NMOS構型和PMOS+NMOS構型，全NMOS管H橋導通電阻更小，但上橋臂的NMOS管的導通電壓高于電源電壓，需要額外的升壓電路，這樣增加了電路的復雜程度和成本，我們采用PMOS+NMOS構型方式搭建雙H橋步進(jìn)電機驅動(dòng)電路，電路更簡(jiǎn)潔，成本更低;且在這樣的小電流工作場(chǎng)合，PMOS所增加的導通損耗可以忽略不計。驅動(dòng)電路與MCU之間進(jìn)行光電隔離，選用廣泛使用的低成本光耦PC817。加入雙輸入四通道與門(mén)(74HC08D)，為驅動(dòng)電路添加使能的功能，即只有在使能的前提下，四路控制信號才是有效的，使步進(jìn)電機運行更安全穩定MOS管選用IRF5305和IRF1205，其參數為55V、110A，TO252貼片封裝。步進(jìn)電機驅動(dòng)電路原理圖如圖所示。
二、電機參數測量電路
為了實(shí)時(shí)監測步進(jìn)電機的運行狀態(tài)是否正常，為驅動(dòng)器設計了電機參數測量功能、通過(guò)實(shí)時(shí)監測電機的工作電壓、工作相電流和機殼溫度來(lái)實(shí)時(shí)獲取電機的運行參數，保證電機運行安全穩定。
電機電流采樣電阻選用康銅電阻，一端連接H橋下方，另一端接GND，其工作溫度范圍寬，溫度系數僅為-40~40*10-6/℃，是高精度電流采樣電阻的理想選擇。電壓電流信號調理電路采用LM324運放搭建，電壓跟隨后送入MCU，由MCU內置10Bit A/D轉換器進(jìn)行A/D采樣。機殼溫度監測選用數字溫芯片DS18B20，將其貼至電機外殼表面，實(shí)時(shí)監測溫度參數并送入MCU。電機參數檢測電路原理圖如圖所示。在進(jìn)行電路設計時(shí)，使用0歐姆電阻將模擬地(AGND)和數字地(GND)單點(diǎn)連接，以降低相互干擾，提高電路性能。
三、電源及MCU控制電路
系統中，驅動(dòng)電路用輸入電壓供電，MCU和藍牙模塊需要額外的3.3V電壓供電，傳統的線(xiàn)性穩壓器效率低、尺寸大且發(fā)熱嚴重，因此使用DC-DC開(kāi)關(guān)電源方式提供3.3V電壓。開(kāi)關(guān)穩壓芯片選用MPS公司MP2359方案，其效率可高至92%、工作頻率高達1.4MHZ，極高的工作頻率決定其只需要小容量的輸入電容、輸出電容和功率電感即可正常工作。藍牙選用HC- 05模塊 ，串口自動(dòng)發(fā)送。主控芯片為PIC24FJ64GA004，電源及主控芯片外圍電路如圖。
四、應用設置
1、設置步進(jìn)驅動(dòng)器的細分數，通常細分數越高，控制分辨率越高。但細分數太高則影響到最大進(jìn)給速度。一般來(lái)說(shuō)，對于模具機用戶(hù)可考慮脈沖當量為0.001mm/P(此時(shí)最大進(jìn)給速度為9600mm/min)或者0.0005mm/P(此時(shí)最大進(jìn)給速度為4800mm/min);對于精度要求不高的用戶(hù)，脈沖當量可設置的大一些，如0.002mm/P(此時(shí)最大進(jìn)給速度為19200mm/min)或0.005mm/P(此時(shí)最大進(jìn)給速度為48000mm/min)。對于兩相步進(jìn)電機，脈沖當量計算方法如下:脈沖當量=絲杠螺距÷細分數÷200。
2、起跳速度:該參數對應步進(jìn)電機的起跳頻率。所謂起跳頻率是步進(jìn)電機不經(jīng)過(guò)加速，能夠直接啟動(dòng)工作的最高頻率。合理地選取該參數能夠提高加工效率，并且能避開(kāi)步進(jìn)電機運動(dòng)特性不好的低速段;但是如果該參數選取大了，就會(huì )造成悶車(chē)，所以一定要留有余量。在電機的出廠(chǎng)參數中，一般包含起跳頻率參數。但是在機床裝配好后，該值可能發(fā)生變化，一般要下降，特別是在做帶負載運動(dòng)時(shí)。所以，該設定參數最好是在參考電機出廠(chǎng)參數后，再實(shí)際測量決定。
3、單軸加速度:用以描述單個(gè)進(jìn)給軸的加減速能力，單位是毫米/秒平方。這個(gè)指標由機床的物理特性決定，如運動(dòng)部分的質(zhì)量、進(jìn)給電機的扭矩、阻力、切削負載等。這個(gè)值越大，在運動(dòng)過(guò)程中花在加減速過(guò)程中的時(shí)間越小，效率越高。通常，對于步進(jìn)電機，該值在100 ~ 500之間，對于伺服電機系統，可以設置在400 ~ 1200之間。在設置過(guò)程中，開(kāi)始設置小一點(diǎn)，運行一段時(shí)間，重復做各種典型運動(dòng)，注意觀(guān)察，如果沒(méi)有異常情況，然后逐步增加。如果發(fā)現異常情況，則降低該值，并留50%~100%的保險余量。
4、彎道加速度:用以描述多個(gè)進(jìn)給軸聯(lián)動(dòng)時(shí)的加減速能力，單位是毫米/秒平方。它決定了機床在做圓弧運動(dòng)時(shí)的最高速度。這個(gè)值越大，機床在做圓弧運動(dòng)時(shí)的最大允許速度越大。通常，對于步進(jìn)電機系統組成的機床，該值在400~1000之間，對于伺服電機系統，可以設置在1000 ~ 5000之間。如果是重型機床，該值要小一些。在設置過(guò)程中，開(kāi)始設置小一點(diǎn)，運行一段時(shí)間，重復做各種典型聯(lián)動(dòng)運動(dòng)，注意觀(guān)察，如果沒(méi)有異常情況，然后逐步增加。如果發(fā)現異常情況，則降低該值，并留50%~100%的保險余量。
通常考慮到步進(jìn)電機的驅動(dòng)能力、機械裝配的摩擦、機械部件的承受能力，可以在廠(chǎng)商參數中修改各個(gè)軸的最大速度，對機床用戶(hù)實(shí)際使用時(shí)的三個(gè)軸最大速度予以限制，。
5、根據三個(gè)軸零點(diǎn)傳感器的安裝位置，設置廠(chǎng)商參數中的回機械原點(diǎn)參數。當設置正確后，可運行"操作"菜單中的"回機械原點(diǎn)"。先單軸回，如果運動(dòng)方向正確則繼續回，否則需停止，重新設置設置廠(chǎng)商參數中的回機械原點(diǎn)方向，直至所有軸都可回機械原點(diǎn)。
6、設置自動(dòng)加油參數(設置得小一些，如5秒加一次油)，觀(guān)察自動(dòng)加油是否正確，如果正確，則將自動(dòng)加油參數設置到實(shí)際需要的參數。
7、校驗電子齒輪和脈沖當量的設定值是否匹配。可以在機床的任意一根軸上做個(gè)標記，在軟件中把該點(diǎn)坐標設為工作零點(diǎn)，用直接輸入指令、點(diǎn)動(dòng)或手輪等工作方式使該軸走固定距離，用游標卡尺測量實(shí)際距離與軟件中坐標顯示距離是否相附。
8、測定有無(wú)丟脈沖。您可以用直觀(guān)的方法:用一把尖刀在工件毛坯上點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)，把該點(diǎn)設為工作原點(diǎn)，抬高Z軸，然后把Z軸坐標設為0;反復使機床運動(dòng)，比如空刀跑一個(gè)典型的加工程序(最好包含三軸聯(lián)動(dòng))，可在加工中暫停或停止，然后回工件原點(diǎn)，緩慢下降Z軸，看刀尖與毛坯上的點(diǎn)是否吻合。如有偏差，請檢查步進(jìn)驅動(dòng)器接收脈沖信號的類(lèi)型，檢查端子板與驅動(dòng)器間接線(xiàn)是否有誤。如果還出現悶車(chē)或丟步，按10、11、12步調整加速度等參數。
五、步進(jìn)電機概述
步進(jìn)電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機供電，步進(jìn)電機才能正常工作，驅動(dòng)器就是為步進(jìn)電機分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器
雖然步進(jìn)電機已被廣泛地應用，但步進(jìn)電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動(dòng)電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進(jìn)電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專(zhuān)業(yè)知識。
步進(jìn)電機作為執行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應用在各種自動(dòng)化控制系統中。隨著(zhù)微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應用。
步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點(diǎn)講：當步進(jìn)驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，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（即步進(jìn)角）。您可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時(shí)您可以通過(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。
六、步進(jìn)電機的主要特點(diǎn)
1)一般步進(jìn)電機的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。
2)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。
3)步進(jìn)電機的力矩會(huì )隨轉速的升高而下降。
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。
4)步進(jìn)電機低速時(shí)可以正常運轉,但若高于一定速度就無(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）。
5 )步進(jìn)電機必須加驅動(dòng)才可以運轉， 驅動(dòng)信號必須為脈沖信號，沒(méi)有脈沖的時(shí)候， 步進(jìn)電機靜止， 如果加入適當的脈沖信號，就會(huì )以一定的角度（稱(chēng)為步角）轉動(dòng)。轉動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。
6)三相步進(jìn)電機的步進(jìn)角度為7.5 度，一圈360度， 需要48個(gè)脈沖完成。
7)步進(jìn)電機具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。
8)改變脈沖的順序，可以方便的改變轉動(dòng)的方向。因此，目前打印機，繪圖儀，機器人，等等設備都以步進(jìn)電機為動(dòng)力核心。
七、步進(jìn)電機驅動(dòng)器的特點(diǎn)
1）構成步進(jìn)電機驅動(dòng)器系統的專(zhuān)用集成電路：
A、脈沖分配器集成電路：如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。
B、包含脈沖分配器和電流斬波的控制器集成電路：如SGS公司的L297、L6506等。
C、只含功率驅動(dòng)（或包含電流控制、保護電路）的驅動(dòng)器集成電路：如日本新電元工業(yè)公司的MTD1110（四相斬波驅動(dòng)）和MTD2001（兩相、H橋、斬波驅動(dòng)）。
D、將脈沖分配器、功率驅動(dòng)、電流控制和保護電路都包括在內的驅動(dòng)控制器集成電路，如東芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。
2）“細分驅動(dòng)”概述：將“電機固有步距角”細分成若干小步的驅動(dòng)方法，稱(chēng)為細分驅動(dòng)，細分是通過(guò)驅動(dòng)器精確控制步進(jìn)電機的相電流實(shí)現的，與電機本 身無(wú)關(guān)。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(chǎn)生的磁場(chǎng)合力，會(huì )使轉子有N個(gè)新的平衡位置（形成N個(gè)步距角）。
八、步進(jìn)電機分類(lèi)
步進(jìn)電機分三種：永磁式（PM） 、反應式（VR）和混合式（HB）。永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；反應式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現大轉矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大，在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點(diǎn)，分為兩相和五相，兩相步進(jìn)角一 般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度，這種步進(jìn)電機的應用最為廣泛。
1）、步進(jìn)電機的優(yōu)缺點(diǎn)
1． 電機旋轉的角度正比于脈沖數；
2． 電機停轉的時(shí)候具有最大的轉矩（當繞組激磁時(shí)）；
3． 由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會(huì )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(dòng)的重復性；
4． 優(yōu)秀的起停和反轉響應；
5． 由于沒(méi)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． 電機的響應僅由數字輸入脈沖確定，因而可以采用開(kāi)環(huán)控制，這使得電機的結構可以比較簡(jiǎn)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率，因而有比較寬的轉速范圍。
九、步進(jìn)電機的故障診斷與分析處理
（1）常見(jiàn)故障原因
1)驅動(dòng)步進(jìn)電機的脈沖頻率太高，使步進(jìn)電動(dòng)機不能響應，發(fā)生失步或堵轉。
2)驅動(dòng)電源不佳而造成步進(jìn)電機失步。
3)步進(jìn)電機控制及驅動(dòng)電路常見(jiàn)的故障有停轉、擺動(dòng)和不能緊鎖。
4)工作臺負載過(guò)重能造成步進(jìn)電機失步甚至停轉。
5)步進(jìn)電機本身問(wèn)題或繞組燒壞造成失步或停轉。
（2）典型故障分析與處理
起動(dòng)和運行速度慢,影響系統同步
1)步進(jìn)電動(dòng)機檢修時(shí),常要將定子各相控制繞組中串聯(lián)的小電阻摘下,進(jìn)行繞組檢測和修理,檢修后未再接入串聯(lián)電阻,有時(shí)小電阻損壞或失效未更換,造成難起動(dòng),運行速度減慢。小電阻失效或未接入,則回路時(shí)間常數加大,使脈沖電流上升沿和下降沿由陡變?yōu)槠教?惡化了頻率特性,也即惡化了步進(jìn)電動(dòng)機運行特性。所以,當步進(jìn)電動(dòng)機修完后,一定要接入小電阻;檢修過(guò)程也必須用萬(wàn)用表檢測小電阻有無(wú)斷路、短路或擊穿故障,如有則應同時(shí)更換合格的同規格小電阻,不要使之失效仍接入線(xiàn)路,不然影響抑制繞組中電感,使系統不同步,又為查找故障增加麻煩。
2)定轉子氣隙不均,使定轉子相擦,造成起動(dòng)困難或運行速度減慢。由于氣隙不均造成定轉子相擦,加大了步進(jìn)電動(dòng)機靜態(tài)力矩,阻力加大使動(dòng)態(tài)特性變壞,導致起動(dòng)和運行速度減慢。當發(fā)生此類(lèi)故障時(shí),應仔細檢查定轉子相擦的原因。根據造成的具體原因,采取有效措施,排除故障,使氣隙均勻。
①檢查中如發(fā)現因軸承損壞或端蓋止口與定子外殼不同心所至,應更換新的合格軸承,及新配端蓋,新端蓋止口車(chē)削要按外殼止口公差尺寸配車(chē)。
②如檢查出屬轉軸變彎,可采取調直方法調直彎曲端或更換新軸。
③測量轉子外徑如發(fā)現橢圓度超差,將轉子進(jìn)行精車(chē)一刀或磨削加工,消除不圓度。應注意車(chē)削或磨削加工時(shí),加工量不宜過(guò)大,僅需將橢圓大直徑車(chē)去或磨去,否則氣隙加大,會(huì )導致電機其它性能變壞。
（2）步進(jìn)電動(dòng)機運行中失步
當步進(jìn)電動(dòng)機改變負載運行時(shí),如帶大慣量負載則產(chǎn)生振蕩,造成電機在某一運行頻率下,起動(dòng)丟步或停轉滑步。造成步進(jìn)電動(dòng)機運行中失步。為了消除大慣性負載引起失步,可以采用機械阻尼的方法,用以消除或吸收振蕩能量;也可以通過(guò)加大負載的摩擦力矩的方法,從而改善運行特性,消除失步。因為步進(jìn)電動(dòng)機受控于電脈沖而產(chǎn)生步進(jìn)運動(dòng),采取如上措施能使電脈沖正常,不受干擾,從而消除電機運行中失步。
另一種失步可能是原采用雙電源供電的而改為單電源供電,又未采取相應補救措施,使起動(dòng)頻率和運行頻率降低,矩頻特性惡化而失步。當是此種原因所至,應重新恢復雙電源供電。有些使用單位或部門(mén),為簡(jiǎn)化電路采用單電源供電造成電動(dòng)機運行失步,這種做法不當,要知道采用雙電源是為了提高起動(dòng)和運行兩種頻率,改善矩頻特性,從而改善了輸入步進(jìn)電動(dòng)機繞組中脈沖電流的上升沿和下降沿。用單電源供電,脈沖穩定電流得不到維持,步進(jìn)電動(dòng)機功率相應減小,所以在驅動(dòng)中相當于容量減小而過(guò)載,效率降低而失步。采用雙電源,用高低兩套電路,即在步進(jìn)電動(dòng)機繞組脈沖電流通入瞬間,對其施以高壓,強迫電流上升加速;池電流達到一定值后,再改施以低壓,使電機正常運行。這種措施不僅使驅動(dòng)電源容量大大減小,同時(shí)也提高了運行效率,改善運行特性,電動(dòng)機不會(huì )失步運行。
（3）、控制繞組一相反繞,影響正常運行
當步進(jìn)電動(dòng)機不能正常運行時(shí),除上述兩種原因影響速度或失步外,可能是定了控制繞組有一相反接。當一相繞組反接,相當于通電電流方向相反,電流相互抵消,電動(dòng)機在此相內無(wú)脈沖電流,運行失常或根本不能運行。在通電情況下,檢測三相電流就能發(fā)現。檢測出反接相后,將該相繞組首末引出線(xiàn)對調,按正確接法接好,再通電運行進(jìn)行電流的檢測。
（4）、開(kāi)路故障
定子控制繞組開(kāi)路故障,表現為一種是引線(xiàn)接頭處斷或焊接處全脫焊,或從某一匝中導線(xiàn)折斷;另一種情況是導線(xiàn)將斷未斷,如假焊、虛焊,或有裂紋。
此故障可采用檢測普通三相電動(dòng)機斷路方法來(lái)檢測,較方便的是用萬(wàn)用表電阻檔來(lái)檢測,當指針不動(dòng)或電阻很大,說(shuō)明所檢測一相繞組為開(kāi)路。
修理方法是找到故障處,將斷開(kāi)兩頭漆皮刮掉后擰緊再焊牢,包上絕緣。
（5）、短路故障
步進(jìn)電動(dòng)機定子控制繞組一般為單根導線(xiàn)繞制的多匝繞組,短路也是匝間短路。檢測方法主要分以下兩步:
目測法:凡短路的繞組因短路電流大而過(guò)熱,繞組導線(xiàn)絕緣層有發(fā)黑變脆的糊焦狀,凡有此種情況的為故障相;
用在通電運行狀況下,測量各相電流,凡電流大的相為故障相。
故障相找到后,如果短路在端部外層,采用加熱繞組后,輕輕撬起短路匝,用薄絕緣紙墊好,再壓實(shí),線(xiàn)圈局部加熱,再刷上1032號絕緣漆后烘于即可;如短路嚴重不能局部修理,只有重繞線(xiàn)圈換上。
（6）、擊穿故障
擊穿故障的繞組可目測出,也可用兆歐表?yè)u測其絕緣電阻,一般擊穿后繞組將接地,檢測相絕緣電阻為零者,說(shuō)明即擊穿又接地。
（7）、電源裝置故障使步進(jìn)電動(dòng)機不能運行
功率放大失靈,門(mén)電路中電子開(kāi)關(guān)損壞及計數器失靈是常發(fā)生的。可采用萬(wàn)用表及示波器等儀表,對照線(xiàn)路逐段檢測。如測出放大程序邏輯部分無(wú)信號或信號弱,說(shuō)明功率驅動(dòng)器有毛病,對其應進(jìn)一步檢測和排除故障至有正常信號;當電子開(kāi)關(guān)未在起動(dòng)位置,門(mén)電路就開(kāi)通,說(shuō)明起動(dòng)開(kāi)關(guān)已經(jīng)損壞,只有更換合格的開(kāi)關(guān);如反饋信號沒(méi)有,即反饋沒(méi)有電壓值,說(shuō)明反饋環(huán)節有故障,應檢測脈沖數選器及整形反相環(huán)節等,找出毛病調整至有正常反饋電壓為止。當發(fā)現電動(dòng)機通電順序不對,不符合設定順序,說(shuō)明環(huán)形分配器失靈,因它的級數應等于電動(dòng)機的相數,在此情況下,它才按規定邏輯給電動(dòng)機各相繞組依次通電,使之順序轉或逆轉。總之,對電源裝置應經(jīng)常檢測和調試,防止故障出現,影響電動(dòng)機正常運行。
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