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1、步进电机知识什么是步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机分哪几种步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合
2、了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。 什么是保持转矩（HOLDING TORQUE）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。 什么是DETENT TORQUEDETENT
3、TORQUE 是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。 步进电机精度为多少？是否累积一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。 步进电机的外表温度允许达到多少步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 为什么步进电机的
4、力矩会随转速的升高而下降当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 为什么步进电机高于一定速度就无法启动步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 如何克服两相混合式步进电机的振动和噪声步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有
5、的缺点，一般可采用以下方案来克服： A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区； B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法； C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机； D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高； E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。 细分驱动器的细分数是否能代表精度步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细
6、分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45，电机的精度能否达到或接近0.45，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。 串联接法和并联接法有什么区别四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别? 四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较低的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电
7、机发热较大。 如何确定步进电机驱动器的直流供电电源A.电压的确定 混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为1248VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。 B.电流的确定 供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I的1.11.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.52.0倍。 混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE使用当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到
8、电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。 如何调整两相步进电机通电转动方向只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。 步进电机的主要特性1 步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机静止， 如 果加入适当的脉冲信号， 就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。 2 腾龙版步进电机的步进角度为7.5 度，一圈360 度，
9、 需要48 个脉冲完成。 3 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 4 改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。 因此，目前打印机，绘图仪，机器人，等等设备都以步进电机为动力核心。 步进电机控制例子我们使用的单极四相步进电机为例。其结构如图1： 四个绕组引出四相(相A1相A2相B1相B2)和两个公共线(接到电源的正极)。把绕组的某一相接到电源的地线。这样该绕组就会受到激励。我们采用四相八拍的控制方式，即1相与2相交替导通，这样可提高分辨率。每一步可转0.9控制电机正转的励磁顺序如下表： 若要求电机反转，将励磁信号倒过来传送即可。 2 控制方案 控制系统的框图如下 本方案采用AT89S
10、51作为主控制器件。它与AT89C51兼容，同时还增加了SPI接口和看门狗模块，这不但使程序调试变得方便而且也使程序运行更加稳定。在方案中该单片机主要实现现场信号的采集并计算出步进电机运转的方向和速度信息。然后传送给CPLD。 CPLD采用EPM7128SLC84-15，EPM7128是可编程的大规模逻辑器件，为ALTERA公司的MAX7000系列产品。具有高阻抗、电可擦等特点，可用单元为2500个，工作电压为+5V。CPLD接收到单片机发送过来的信息后，转换成对应的控制信号输出给步进电机驱动器。驱动器则把控制信号处理后输入电机绕组，实现了电机的有效控制。 2.1 电机驱动器硬件结构 电机的驱
11、动器采用如下电路： 其中R1-R8的电阻值为320。R9-R12的电阻值为2.2K。Q1-Q4为达林顿管D401A，Q5-Q8为S8550。J1、J2与步进电机的六条引线相连 步进电机优缺点优点1 电机旋转的角度正比于脉冲数； 2 电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）； 3 由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性； 4 优秀的起停和反转响应； 5 由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命； 6 电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控 制成本 7 仅仅将负
12、载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。 8 由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。 缺点1 如果控制不当容易产生共振； 2 难以运转到较高的转速。 3. 难以获得较大的转矩 4. 在体积重量方面没有优势，能源利用率低。 5. 超过负载时会破坏同步，高速工作时会发出振动和噪声。 步进电机驱动方法步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，如图2所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。
13、图2 步进电动机驱动控制器图2 步进电动机驱动控制器 1、单电压功率驱动接口实用电路如图3所示。在电机绕组回路中串有电阻Rs，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。一般情况下，简单单电压驱动线路中，Rs是不可缺少的。Rs对步进电动机单步响应的改善如图3(b)。 图3 单电压功率驱动接口及单步响应曲线图3 单电压功率驱动接口及单步响应曲线 图4 双电压功率驱动接口 2、双电压功率驱动接口双电压驱动的功率接口如图4所示。双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压UL驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压UH驱动。这种功率接口
14、需要两个控制信号，Uh为高压有效控制信号，U为脉冲调宽驱动控制信号。图中，功率管TH和二极管DL构成电源转换电路。当Uh低电平，TH关断，DL正偏置，低电压UL对绕组供电。反之Uh高电平，TH导通，DL反偏，高电压UH对绕组供电。这种电路可使电机在高频段也有较大出力，而静止锁定时功耗减小。 3、高低压功率驱动接口 图5 高低压功率驱动接口? 图5 高低压功率驱动接口 高低压功率驱动接口如图5所示。高低压驱动的设计思想是，不论电机工作频率如何，均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿，而在前沿过后，用低电压UL来维持绕组的电流。这一作用同样改善了驱动器的高频性能，而且不必再串联电阻Rs，消
15、除了附加损耗。高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和Ul，它们应保持同步，且前沿在同一时刻跳变，如图5所示。图中，高压管VTH的导通时间tl不能太大，也不能太小，太大时，电机电流过载；太小时，动态性能改善不明显。一般可取13ms。（当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适）。分页 4、斩波恒流功率驱动接口恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。使电机具有恒转矩输出特性。这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。图6是斩波恒流功率接口原理图。图中R是一个用于电流采样的小阻值电阻，称为采样电阻。当电流不大时，VT1和VT2同时受控于走步脉冲
16、，当电流超过恒流给定的数值，VT2被封锁，电源U被切除。由于电机绕组具有较大电感，此时靠二极管VD续流，维持绕组电流，电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力。此时电流将按指数曲线衰减，同样电流采样值将减小。当电流小于恒流给定的数值，VT2导通，电源再次接通。如此反复，电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波，如图6所示。 图6 斩波恒流功率驱动接口图6 斩波恒流功率驱动接口 斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中u1是数字脉冲，u2是模拟信号。这种功率接口的特点是：高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，共振现象消除，但线路较复杂。目前已有相应的集成功率模块可供采用。
17、5、升频升压功率驱动接口?为了进一步提高驱动系统的高频响应，可采用升频升压功率驱动接口。这种接口对绕组提供的电压与电机的运行频率成线性关系。它的主回路实际上是一个开关稳压电源，利用频率-电压变换器，将驱动脉冲的频率转换成直流电平，并用此电平去控制开关稳压电源的输入，这就构成了具有频率反馈的功率驱动接口。 6、集成功率驱动接口?目前已有多种用于小功率步进电动机的集成功率驱动接口电路可供选用。 L298芯片是一种H桥式驱动器，它设计成接受标准TTL逻辑电平信号，可用来驱动电感性负载。H桥可承受46V电压，相电流高达2.5A。L298(或XQ298，SGS298)的逻辑电路使用5V电源，功放级使用5
18、46V电压，下桥发射极均单独引出，以便接入电流取样电阻。L298(等)采用15脚双列直插小瓦数式封装，工业品等级。它的内部结构如图7所示。H桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正、反两个方向通电。L298特别适用于对二相或四相步进电动机的驱动。分页 图7 L298原理框图图7 L298原理框图 与L298类似的电路还有TER公司的3717，它是单H桥电路。SGS公司的SG3635则是单桥臂电路，IR公司的IR2130则是三相桥电路，Allegro公司则有A2916、A3953等小功率驱动模块。 图8是使用L297(环形分配器专用芯片)和L298构成的具有恒流斩波功能的步进电动机驱动系统。 图8
19、 专用芯片构成的步进电动驱动系统图8 专用芯片构成的步进电动驱动系统 步进电机驱动器的特点?（1）构成步进电机驱动器系统的专用集成电路： A、脉冲分配器集成电路：如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。 B、包含脉冲分配器和电流斩波的控制器集成电路：如SGS公司的L297、L6506等。 C、只含功率驱动（或包含电流控制、保护电路）的驱动器集成电路：如日本新电元工业公司的MTD1110（四相斩波驱动）和MTD2001（两相、H桥、斩波驱动）。 D、将脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路都包括在内的驱动控制器集成电路，如东芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司
20、的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。 （2）“细分驱动”概述： 将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的，与电机本身无关。其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角）。 步进电机驱动要求（1） 能够提供较快的电流上升和下降速度，使电流波形尽量接近矩形。 具有供截止期间释放电流流通的回路，以降低绕组两端的反电动势，加快电流衰减。 （2） 具有较高
21、韵功率及效率。 步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。也就是说步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以控制步进脉冲信号的频率，就可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，就可以对电机精确定位。步进电机驱动器有很多，我们应以实际的功率要求合理的选择驱动器，下面分别介绍各类典型的驱动器。 最新技术发展国内外对细分驱动技术的研究十分活跃，高性能的细分驱动电路，可以细分到上千甚至任意细分。目前已经能够做到通过复杂的计算使细分后的步距角均匀一致，大大提高了步进电机的脉冲分辨率，减小或消除了震荡、噪声和转
22、矩波动，使步进电机更具有“类伺服”特性。 对实际步距角的作用：在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己对步距角的要求。如果使用细分驱动器，则用户只需在驱动器上改变细分数，就可以大幅度改变实际步距角，步进电机的相数对改变实际步距角的作用几乎可以忽略不计。Knowledge of the stepper motorWhat is a stepper motor Stepper motor is a kind of electrical pulses into angular displacement of the implementing agency. Popular li
23、ttle lesson: When the driver receives a step pulse signal, it will drive a stepper motor to set the direction of rotation at a fixed angle (and the step angle). You can control the number of pulses to control the angular displacement, so as to achieve accurate positioning purposes; the same time you
24、 can control the pulse frequency to control the motor rotation speed and acceleration, to achieve speed control purposes.What kinds of stepper motor sub- In three stepper motors: permanent magnet (PM), reactive (VR) and hybrid (HB) permanent magnet stepper usually two-phase, torque, and smaller, ste
25、p angle of 7.5 degrees or the general 15 degrees; reaction step is generally three-phase, can achieve high torque output, step angle of 1.5 degrees is generally, but the noise and vibration are large. 80 countries in Europe and America have been eliminated; hybrid stepper is a mix of permanent magne
26、t and reactive advantages. It consists of two phases and the five-phase: two-phase step angle of 1.8 degrees while the general five-phase step angle of 0.72 degrees generally. The most widely used Stepper Motor.What is to keep the torque (HOLDING TORQUE) Holding torque (HOLDING TORQUE) is the steppe
27、r motor power but no rotation, the stator locked rotor torque. It is the stepper motor one of the most important parameters, usually when the stepper motor torque at low speed near the holding torque. As the stepper motors output torque increases with the speed and continuous attenuation, output pow
28、er increases with the speed change, so keep the torque stepper motor to become a measure of one of the most important parameters. For example, when people say 2N.m the stepper motor in case of no special note is the holding torque of the stepper motor for the 2N.m.What is DETENT TORQUE DETENT TORQUE
29、 is the stepper motor is not energized, the stator locked rotor torque. DETENT TORQUE translation in the country there is no uniform way, easy to misunderstand us; the reaction is not a permanent magnet stepper motor rotor material, so it does not DETENT TORQUE.How much precision stepper motor? Whet
30、her the cumulative The general accuracy of the stepper motor step angle of 3-5%, and not cumulative.Stepper motor to allow the minimum amount of surface temperatureStepper motor causes the motor temperature is too high the first magnetic demagnetization, resulting in loss of torque down even further
31、, so the motor surface temperature should be the maximum allowed depending on the motor demagnetization of magnetic material points; Generally speaking, the magnetic demagnetization points are above 130 degrees Celsius, and some even as high as 200 degrees Celsius, so the stepper motor surface tempe
32、rature of 80-90 degrees Celsius is normal.Why is torque stepping motor will decrease with the increase of speed When the stepper motor rotates, the motor winding inductance of each phase will form a reverse electromotive force; the higher the frequency the greater the back emf. In its role, the moto
33、r with frequency (or speed) increases with the phase current decreases, resulting in decreased torque.Why is higher than a certain speed stepper motor will not start Stepper motor has a technical parameters: no-load starting frequency, ie the stepper motor with no load to start the normal pulse freq
34、uency, pulse frequency is higher than the value if the motor does not start, you may lose steps or stall occurs. In the case of a load, start frequency should be lower. If you want the motor to achieve high-speed rotation, the pulse frequency should speed up the process, which started lower frequenc
35、y, and then rise by a certain acceleration of the desired frequency (motor speed from low rise to high-speed).How to overcome the two-phase hybrid stepping motor vibration and noise Low-speed rotation of the stepper motor vibration and noise is an inherent disadvantage of a large, generally can be u
36、sed to overcome the following programs:A. If the stepper motor just work in the resonance, by changing the gear ratio can be mechanical transmission to avoid the resonance region;B. sub-function used with the drive, which is the most common and easiest method;C. into a smaller step angle stepper mot
37、ors, such as three or five-phase stepper motor;D. replace the AC servo motor, can be almost completely overcome the vibration and noise, but the cost is high;E. increase in the magnetic damper motor shaft, the product already on the market, but a larger change in mechanical structure.The breakdown o
38、f the number of sub-driver is able to represent the precision Subdivision stepper motor is essentially an electronic damping (see the literature), its main purpose is to weaken or eliminate low-frequency vibration of the stepper motor to improve the accuracy of the motor running with only one functi
39、onal subdivision. For example, 1.8 step angle of the two-phase hybrid stepping motor, if the number of sub-segments of the drive is set to 4, then the motor running a resolution of each pulse 0.45 , the precision can motor at or near 0.45 , also depends on the breakdown of sub-drive current control
40、accuracy and other factors. Breakdown of different manufacturers may vary significantly drive precision; subdivision greater precision the number of difficult control.Series connection and What is the difference and join law Four-phase hybrid stepping motor and driver in series connection and the co
41、nnection method and what is the difference? Four-phase hybrid stepping motor drives are generally two phases to drive, so connection can be used in series connection and the connection method or the four-phase motor connected into a two-phase use. Series connection is generally used where a low moto
42、r speed, this time need to drive the motor phase current output current of 0.7 times, so a small motor heating; and join law generally places a higher motor speed to use (also known as high-speed access method), the required drive output current 1.4 times the motor phase current, and thus a larger m
43、otor heat.How to determine the stepper motor driver DC power supply A. Determination of the voltageHybrid stepping motor driver power supply voltage is generally a wide range (such as the IM483 supply voltage of 12 48VDC), the supply voltage is usually based on the work of the motor speed and respon
44、se to the request to choose. If the motor operating speed higher or faster response to the request, then the voltage value is high, but note that the ripple voltage can not exceed the maximum input voltage of the drive, or it may damage the drive. B. Determination of CurrentPower supply current is g
45、enerally based on the output phase current drive I to determine. If a linear power supply, power supply current is generally preferable 1.1 to 1.3 times the I; if we adopt the switching power supply, power supply current is generally preferable to I, 1.5 to 2.0 times.Hybrid stepping motor drive sign
46、al is FREE to use offline FREE off-line signal when low, the drive output to the motor current is cut off, the rotor is in a free state (off state). In some automation equipment, uninterruptible power if the drive directly in cases of motor shaft rotation (manual mode), you can set FREE signal is lo
47、w, the motor off, the manual operation or adjustment. Manual is completed, then the FREE signal set high, to continue to automatic control.How to adjust the power of two-phase stepper motor direction of rotationJust drive the motor wiring and A + and A-(or B + and B-) can be reversed.The main characteristics of stepping motor A stepper motor drive can be added operate pulse drive signal must be no pulse when the stepper motor at rest, such asIf adding the appropriate pulse signal, it will to a certain angle (called the step angle) rotation. R
