步進(jìn)電機驅動(dòng)器-步進(jìn)電機驅動(dòng)器工作原理及設計電路圖解析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-06-04
步進(jìn)電機驅動(dòng)器電路設計解析步進(jìn)電機在控制系統中具有普遍的應用。它能夠把脈沖信號轉換成角位移，并且可用作電磁制動(dòng)輪、電磁差分器、或角位移發(fā)作器等。有時(shí)從一些舊設備上拆下的步進(jìn)電機（這種電機普通沒(méi)有損壞）要改作它用，普通需本人設計驅動(dòng)器。
步進(jìn)電機驅動(dòng)器的工作原理該步進(jìn)電機為一四相步進(jìn)電機，采用單極性直流電源供電。只需對步進(jìn)電機的各相繞組按適宜的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機步進(jìn)轉動(dòng)。圖1是該四相反響式步進(jìn)電機工作原理表示圖。
開(kāi)端時(shí)，開(kāi)關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開(kāi)，B相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時(shí)，轉子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。
當開(kāi)關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開(kāi)時(shí)，由于C相繞組的磁力線(xiàn)和1、4號齒之間磁力線(xiàn)的作用，使轉子轉動(dòng)，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類(lèi)推，A、B、C、D四相繞組輪番供電，則轉子會(huì )沿著(zhù)A、B、C、D方向轉動(dòng)。
四相步進(jìn)電機驅動(dòng)器依照通電次第的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因而，八拍工作方式既能夠堅持較高的轉動(dòng)力矩又能夠進(jìn)步控制精度。
單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖2.a、b、c所示：
AT89C2051將控制脈沖從P1口的P1.4～P1.7輸出，經(jīng)74LS14反相后進(jìn)入9014，經(jīng)9014放大后控制光電開(kāi)關(guān)，光電隔離后，由功率管TIP122將脈沖信號停止電壓和電放逐大，驅動(dòng)步進(jìn)電機的各相繞組。
使步進(jìn)電機隨著(zhù)不同的脈沖信號分別作正轉、反轉、加速、減速和中止等動(dòng)作。圖中L1為步進(jìn)電機的一相繞組。AT89C2051選用頻率22MHz的晶振，選用較高晶振的目的是為了在方式2下盡量減小AT89C2051對上位機脈沖信號周期的影響。
圖3中的RL1～RL4為繞組內阻，50Ω電阻是一外接電阻，起限流作用，也是一個(gè)改善回路時(shí)間常數的元件。D1～D4為續流二極管，使電機繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢經(jīng)過(guò)續流二極管（D1～D4）而衰減掉，從而維護了功率管TIP122不受損壞。
在50Ω外接電阻上并聯(lián)一個(gè)200μF電容，能夠改善注入步進(jìn)電機繞組的電流脈沖前沿，進(jìn)步了步進(jìn)電機的高頻性能。與續流二極管串聯(lián)的200Ω電阻可減小回路的放電時(shí)間常數，使繞組中電流脈沖的后沿變陡，電流降落時(shí)間變小，也起到進(jìn)步高頻工作性能的作用。
該驅動(dòng)器依據撥碼開(kāi)關(guān)KX、KY的不同組合有三種工作方式供選擇：
方式1為中綴方式：P3.5（INT1）為步進(jìn)脈沖輸入端，P3.7為正反轉脈沖輸入端。上位機（PC機或單片機）與驅動(dòng)器僅以2條線(xiàn)相連。
方式2為串行通訊方式：上位機（PC機或單片機）將控制命令發(fā)送給驅動(dòng)器，驅動(dòng)器依據控制命令自行完成有關(guān)控制過(guò)程。
方式3為撥碼開(kāi)關(guān)控制方式：經(jīng)過(guò)K1～K5的不同組合，直接控制步進(jìn)電機。
當上電或按下復位鍵KR后，AT89C2051先檢測撥碼開(kāi)關(guān)KX、KY的狀態(tài)，依據KX、KY 的不同組合，進(jìn)入不同的工作方式。以下給出方式1的程序流程框圖與源程序。
在程序的編制中，要特別留意步進(jìn)電機在換向時(shí)的處置。為使步進(jìn)電機驅動(dòng)器在換向時(shí)能平滑過(guò)渡，不至于產(chǎn)生錯步，應在每一步中設置標志位。其中20H單元的各位為步進(jìn)電機正轉標志位;21H單元各位為反轉標志位。
在正轉時(shí)，不只給正轉標志位賦值，也同時(shí)給反轉標志位賦值;在反轉時(shí)也如此。這樣，當步進(jìn)電機換向時(shí)，就能夠上一次的位置作為起點(diǎn)反向運動(dòng)，防止了電機換向時(shí)產(chǎn)生錯步。
為了對步進(jìn)電機的相電流停止控制，從而到達細分步進(jìn)電機步距角的目的，人們曾設計了很多種步進(jìn)電機的細分驅動(dòng)電路。隨著(zhù)微型計算機的開(kāi)展，特別是單片計算機的呈現，為步進(jìn)電機驅動(dòng)器的細分驅動(dòng)帶來(lái)了便利。
目前，步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路大多數都采用單片微機控制。單片機依據請求的步距角計算出各相繞組中經(jīng)過(guò)的電流值，并輸出到數模轉換器（DPA） 中，由DPA 把數字量轉換為相應的模仿電壓，經(jīng)過(guò)環(huán)形分配器加到各相的功放電路上，控制功放電路給各相繞組通以相應的電流，來(lái)完成步進(jìn)電機的細分。
單片機控制的步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路依據末級功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開(kāi)關(guān)型兩種（見(jiàn)下圖5）。
步進(jìn)電機驅動(dòng)器的概述
步進(jìn)電機驅動(dòng)器是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的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，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，稱(chēng)為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。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)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。
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)電機驅動(dòng)器的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應用。
步進(jìn)電機在構造上有三種主要類(lèi)型：反應式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式（Hybrid Stepping,HS）。
反應式：定子上有繞組、轉子由軟磁材料組成。結構簡(jiǎn)單、成本低、步距角小，可達1.2°、但動(dòng)態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。
永磁式：永磁式步進(jìn)電機驅動(dòng)器的轉子用永磁材料制成，轉子的極數與定子的極數相同。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）。
混合式：混合式步進(jìn)電機綜合了反應式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，其定子上有多相繞組、轉子上采用永磁材料，轉子和定子上均有多個(gè)小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，步距角小，但結構復雜、成本相對較高。
按定子上繞組來(lái)分，共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合式步進(jìn)電機，約占97%以上的市場(chǎng)份額，其原因是性?xún)r(jià)比高，配上細分驅動(dòng)器后效果良好。該種電機的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅動(dòng)器后，步距角減少為0.9°，配上細分驅動(dòng)器后其步距角可細分達256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，實(shí)際控制精度略低。同一步進(jìn)電機驅動(dòng)器可配不同細分的驅動(dòng)器以改變精度和效果。
判斷需多大力矩：靜扭矩是選擇步進(jìn)電機驅動(dòng)器的主要參數之一。負載大時(shí)，需采用大力矩電機。力矩指標大時(shí)，電機外形也大。
判斷電機運轉速度：轉速要求高時(shí)，應選相電流較大、電感較小的電機，以增加功率輸入。且在選擇驅動(dòng)器時(shí)采用較高供電電壓。
選擇電機的安裝規格：如57、86、110等，主要與力矩要求有關(guān)。
確定定位精度和振動(dòng)方面的要求情況：判斷是否需細分，需多少細分。
根據電機的電流、細分和供電電壓選擇驅動(dòng)器。
通常電機的轉子為永磁體，當電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì )帶動(dòng)轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當定子的矢量磁場(chǎng)旋轉一個(gè)角度。轉子也隨著(zhù)該磁場(chǎng)轉一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機轉動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會(huì )反轉。所以可用控制脈沖數量、頻率及電動(dòng)機各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機的轉動(dòng)。
通常見(jiàn)到的各類(lèi)電機，內部都是有鐵芯和繞組線(xiàn)圈的。繞組有電阻，通電會(huì )產(chǎn)生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說(shuō)的銅損，如果電流不是標準的直流或正弦波，還會(huì )產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應，在交變磁場(chǎng)中也會(huì )產(chǎn)生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關(guān)，這叫鐵損。銅損和鐵損都會(huì )以發(fā)熱的形式表現出來(lái)，從而影響電機的效率。步進(jìn)電機一般追求定位精度和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成分高，電流交變的頻率也隨轉速而變化，因而步進(jìn)電機普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機嚴重。
步進(jìn)電機也叫步進(jìn)器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉換為機械能，人們早在20世紀20年代就開(kāi)始使用這種電機。隨著(zhù)嵌入式系統(例如打印機、磁盤(pán)驅動(dòng)器、玩具、雨刷、震動(dòng)尋呼機、機械手臂和錄像機等)的日益流行，步進(jìn)電機的使用也開(kāi)始暴增。不論在工業(yè)、軍事、醫療、汽車(chē)還是娛樂(lè )業(yè)中，只要需要把某件物體從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，步進(jìn)電機就一定能派上用場(chǎng)。步進(jìn)電機有許多種形狀和尺寸，但不論形狀和尺寸如何，它們都可以歸為兩類(lèi)：可變磁阻步進(jìn)電機和永磁步進(jìn)電機。步進(jìn)電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線(xiàn)圈驅動(dòng)的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線(xiàn)管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線(xiàn)圈、或相。
1、相數：產(chǎn)生不同對極N、S磁場(chǎng)的激磁線(xiàn)圈對數。常用m表示。
2、拍數：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數或導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
3、步距角：對應一個(gè)脈沖信號，電機轉子轉過(guò)的角位移用θ表示。θ=360度/（轉子齒數*運行拍數），以常規二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時(shí)步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱(chēng)整步），八拍運行時(shí)步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱(chēng)半步）。
4、定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機械誤差造成的）。
5、靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動(dòng)時(shí)，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積的標準，與驅動(dòng)電壓及驅動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。 雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)分采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì )造成電機的發(fā)熱及機械噪音。
1、步距角精度：步進(jìn)電機驅動(dòng)器每轉過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時(shí)應在5%之內，八拍運行時(shí)應在15%以?xún)取?/span>
2、失步：電機運轉時(shí)運轉的步數，不等于理論上的步數。稱(chēng)之為失步。
3、失調角：轉子齒軸線(xiàn)偏移定子齒軸線(xiàn)的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅動(dòng)是不能解決的。
4、最大空載起動(dòng)頻率：電機在某種驅動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。
5、最大空載的運行頻率：電機在某種驅動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。
6、運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線(xiàn)稱(chēng)為運行矩頻特性，這是電機諸多動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)中最重要的，也是電機選擇的根本依據。其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)頻率特性等。 電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機運行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。要使平均電流大，盡可能提高驅動(dòng)電壓，采用小電感大電流的電機。
7、電機的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機均有固定的共振區域，二、四相感應子式的共振區一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅動(dòng)電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應偏移共振區較多。
8、電機正反轉控制：當電機繞組通電時(shí)序為AB-BC-CD-DA或()時(shí)為正轉，通電時(shí)序為DA-CD-BC-AB或()時(shí)為反轉。
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。
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。
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)電機驅動(dòng)器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）。
步進(jìn)電動(dòng)機以其顯著(zhù)的特點(diǎn)，在數字化制造時(shí)代發(fā)揮著(zhù)重大的用途。伴隨著(zhù)不同的數字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機將會(huì )在更多的領(lǐng)域得到應用。
1、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。
2、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。
3、步進(jìn)電機具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。
4、改變脈沖的順序，可以方便的改變轉動(dòng)的方向。
因此，打印機、繪圖儀、機器人等設備都以步進(jìn)電機驅動(dòng)器為動(dòng)力核心。
優(yōu)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。
缺陷
1、如果控制不當容易產(chǎn)生共振；
2、難以運轉到較高的轉速；
3、難以獲得較大的轉矩；
4、在體積重量方面沒(méi)有優(yōu)勢，能源利用率低；
5、超過(guò)負載時(shí)會(huì )破壞同步，高速工作時(shí)會(huì )發(fā)出振動(dòng)和噪聲。
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