步进电机驱动器原理(步进电动机驱动器操作原理及检修)

Posted 2023-05-30

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步进电机驱动器原理(步进电动机驱动器操作原理及检修)

来源：变频器维修论坛

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4-1 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4-2 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4-3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4-3 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

4-4 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。