步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技巧

航宇救生裝備有限公司機(jī)動(dòng)部　崔　巍航宇救生裝備有限公司技改部　孔雪峰

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步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技巧

航宇救生裝備有限公司機(jī)動(dòng)部崔巍
航宇救生裝備有限公司技改部孔雪峰

本文介紹了步進(jìn)電機(jī)在選擇、控制方面的應(yīng)用技巧。

步進(jìn)電機(jī)；脈沖；控制

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移的電磁裝置。它具有以下特點(diǎn)：具有較好的定位精度；無漂移和無累積定位誤差；能跟蹤一定頻率范圍的脈沖列；成本低，其價(jià)格往往是相近規(guī)格伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格的一半甚至更低。因而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在各種小型自動(dòng)化設(shè)備及儀器方面應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于要求不高的定位及調(diào)速控制的場(chǎng)合。

1.步進(jìn)電機(jī)矩頻特性對(duì)其應(yīng)用的影響

矩頻特性是用來描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系曲線。矩頻特性是步進(jìn)電機(jī)最重要的特性之一，是選擇步進(jìn)電機(jī)的重要依據(jù)。如圖1所示，為某品牌步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線。

圖1　步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線

（1）從矩頻特性曲線看，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)迅速下降，這個(gè)特點(diǎn)決定了步進(jìn)電機(jī)只適合于低、中速的應(yīng)用場(chǎng)合。實(shí)際選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先根據(jù)負(fù)載情況確定電機(jī)所需轉(zhuǎn)速和扭矩，再結(jié)合電機(jī)矩頻特性進(jìn)行選擇。如果轉(zhuǎn)速需求較低，可配置合適速比的減速器以放大輸出轉(zhuǎn)矩。

（2）注意啟動(dòng)頻率對(duì)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)的影響。一般的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功能比較簡(jiǎn)單，沒有加減速時(shí)間設(shè)置等功能。此時(shí)就需要對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖列上升速率進(jìn)行限制。比如用PLC脈沖輸出端口控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，在PLC程序設(shè)計(jì)時(shí)就要注意脈沖輸出指令的加速時(shí)間設(shè)置，以防止加速時(shí)間過短導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)困難。

（3）驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓、細(xì)分?jǐn)?shù)以及電機(jī)接線方式對(duì)步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩有影響，但影響效果有限。

2.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上位控制裝置選擇

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器接收上位控制裝置的指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)可以將狀態(tài)信息反饋給控制裝置。圖2是典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，上位控制裝置可以選擇PLC、步進(jìn)電機(jī)控制器或運(yùn)動(dòng)控制卡。

圖2　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖

（1）在具體應(yīng)用中，盡量選用PLC作為上位控制裝置，因?yàn)镻LC除了能控制步進(jìn)電機(jī)外，還能完成順序控制及更復(fù)雜的控制，其成本也不高。PLC能獨(dú)立控制的電機(jī)數(shù)量有限，一般為2臺(tái)，某些PLC專門用于位置控制，可以獨(dú)立控制多達(dá)6臺(tái)電機(jī)，最高輸出頻率可達(dá)200KHz。

（2）步進(jìn)電機(jī)控制器作為上位控制裝置，能控制較多數(shù)量的步進(jìn)電機(jī)，應(yīng)用較為靈活，但不具備PLC所具有的其它控制功能。

（3）在較復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合，比如需要多軸插補(bǔ)時(shí)，則需要選擇運(yùn)動(dòng)控制卡。運(yùn)動(dòng)控制卡必須在計(jì)算機(jī)環(huán)境中使用，成本較高。

3.步進(jìn)電機(jī)控制

絕大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器只具有一種指令控制方式，即脈沖控制方式。上位控制裝置產(chǎn)生一定頻率和數(shù)量的脈沖列，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到脈沖之后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

（1）驅(qū)動(dòng)器一般可接收的脈沖形式有三種：一是兩相正交脈沖，二是脈沖加方向，三是ccw脈沖和cw脈沖。實(shí)際應(yīng)用中多采用脈沖加方向的形式。

（2）上位控制裝置一般具有兩種脈沖輸出接口，一種是差分輸出，抗干擾能力強(qiáng)，當(dāng)需要遠(yuǎn)距離傳輸脈沖信號(hào)時(shí)，須采用此種輸出接口。另一種是單端晶體管輸出，大部分應(yīng)用場(chǎng)合采用這種接口即可。

（3）PLC差分輸出接口的電壓一般為+5VDC，可以直接與驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入接口相連，但當(dāng)采用單端晶體管輸出接口時(shí)，由于其電壓一般為+24VDC，與驅(qū)動(dòng)器脈沖輸入接口相連時(shí)，需要串接電阻用于限制驅(qū)動(dòng)電流，電阻阻值的大小由驅(qū)動(dòng)器決定，一般為1-2KΩ。也有一些驅(qū)動(dòng)器在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了兼容性，可通過開關(guān)切換以適應(yīng)不同驅(qū)動(dòng)電壓。

（4）有些步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器還具有通訊控制接口，這樣上位控制裝置可以通過通訊接口進(jìn)行控制。

4.其它應(yīng)用技巧

（1）在實(shí)際應(yīng)用中需要控制多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)以相同的速度同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以利用控制裝置的一路脈沖輸出接口控制多臺(tái)驅(qū)動(dòng)器。筆者曾利用臺(tái)達(dá)PLC的一路接口同時(shí)控制四臺(tái)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，效果良好。但要注意的是，在設(shè)計(jì)時(shí)需要核算驅(qū)動(dòng)電流，總的驅(qū)動(dòng)電流不能超過輸出接口的額定電流。

（2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在功率較小時(shí)，一般外接直流電源，實(shí)際應(yīng)用時(shí)最好使用線性電源，而不要選擇開關(guān)電源。

（3）上位控制裝置與驅(qū)動(dòng)器的距離盡可能近，脈沖信號(hào)連接導(dǎo)線一定要使用雙絞線，最好帶屏蔽，屏蔽層良好接地，當(dāng)采用單端驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，尤其要注意。因?yàn)閱味蓑?qū)動(dòng)方式抗干擾能力弱，步進(jìn)電機(jī)使用的環(huán)境往往有各種電磁干擾（比如變頻器干擾等）。干擾可能會(huì)導(dǎo)致脈沖信號(hào)紊亂、丟失，嚴(yán)重時(shí)步進(jìn)電機(jī)會(huì)無規(guī)律自轉(zhuǎn)。

5.結(jié)束語

本文根據(jù)應(yīng)用實(shí)踐，總結(jié)并詳細(xì)闡述了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的一些技巧，希望對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)人員有所幫助。

［1］雷塞步進(jìn)電機(jī)使用說明書［S］

［2］雷塞步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用說明書［S］.

崔巍，男，高級(jí)工程師，主要從事電氣技術(shù)工作。

孔雪峰，男，高級(jí)工程師，主要從事非標(biāo)設(shè)備研制、數(shù)控維修技術(shù)方面的工作。