步進電機應用技巧

航宇救生裝備有限公司機動部　崔　巍航宇救生裝備有限公司技改部　孔雪峰

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步進電機應用技巧

航宇救生裝備有限公司機動部崔巍
航宇救生裝備有限公司技改部孔雪峰

本文介紹了步進電機在選擇、控制方面的應用技巧。

步進電機；脈沖；控制

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成機械位移的電磁裝置。它具有以下特點：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，其價格往往是相近規(guī)格伺服驅動系統(tǒng)價格的一半甚至更低。因而步進電機驅動系統(tǒng)在各種小型自動化設備及儀器方面應用廣泛，主要應用于要求不高的定位及調速控制的場合。

1.步進電機矩頻特性對其應用的影響

矩頻特性是用來描述步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉矩與連續(xù)運行頻率之間的關系曲線。矩頻特性是步進電機最重要的特性之一，是選擇步進電機的重要依據(jù)。如圖1所示，為某品牌步進電機的矩頻特性曲線。

圖1　步進電機矩頻特性曲線

（1）從矩頻特性曲線看，步進電機運行達到一定轉速后，電機輸出轉矩會迅速下降，這個特點決定了步進電機只適合于低、中速的應用場合。實際選擇步進電機時，首先根據(jù)負載情況確定電機所需轉速和扭矩，再結合電機矩頻特性進行選擇。如果轉速需求較低，可配置合適速比的減速器以放大輸出轉矩。

（2）注意啟動頻率對步進電機啟動的影響。一般的步進電機驅動器功能比較簡單，沒有加減速時間設置等功能。此時就需要對驅動脈沖列上升速率進行限制。比如用PLC脈沖輸出端口控制步進電機運行時，在PLC程序設計時就要注意脈沖輸出指令的加速時間設置，以防止加速時間過短導致步進電機啟動困難。

（3）驅動器驅動電壓、細分數(shù)以及電機接線方式對步進電機輸出轉矩有影響，但影響效果有限。

2.驅動系統(tǒng)上位控制裝置選擇

步進電機驅動系統(tǒng)包括步進電機及其驅動器，驅動器接收上位控制裝置的指令驅動電機運轉，同時可以將狀態(tài)信息反饋給控制裝置。圖2是典型的步進電機驅動系統(tǒng)框圖。

根據(jù)應用場合，上位控制裝置可以選擇PLC、步進電機控制器或運動控制卡。

圖2　步進電機驅動系統(tǒng)框圖

（1）在具體應用中，盡量選用PLC作為上位控制裝置，因為PLC除了能控制步進電機外，還能完成順序控制及更復雜的控制，其成本也不高。PLC能獨立控制的電機數(shù)量有限，一般為2臺，某些PLC專門用于位置控制，可以獨立控制多達6臺電機，最高輸出頻率可達200KHz。

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

（3）在較復雜的應用場合，比如需要多軸插補時，則需要選擇運動控制卡。運動控制卡必須在計算機環(huán)境中使用，成本較高。

3.步進電機控制

絕大多數(shù)步進電機驅動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，步進電機驅動器接收到脈沖之后，驅動電機運轉。

（1）驅動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。實際應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，當需要遠距離傳輸脈沖信號時，須采用此種輸出接口。另一種是單端晶體管輸出，大部分應用場合采用這種接口即可。

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

（4）有些步進電機驅動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行控制。

4.其它應用技巧

（1）在實際應用中需要控制多臺步進電機以相同的速度同時運轉時，可以利用控制裝置的一路脈沖輸出接口控制多臺驅動器。筆者曾利用臺達PLC的一路接口同時控制四臺步進電機同時運行，效果良好。但要注意的是，在設計時需要核算驅動電流，總的驅動電流不能超過輸出接口的額定電流。

（2）步進電機驅動器在功率較小時，一般外接直流電源，實際應用時最好使用線性電源，而不要選擇開關電源。

（3）上位控制裝置與驅動器的距離盡可能近，脈沖信號連接導線一定要使用雙絞線，最好帶屏蔽，屏蔽層良好接地，當采用單端驅動方式時，尤其要注意。因為單端驅動方式抗干擾能力弱，步進電機使用的環(huán)境往往有各種電磁干擾（比如變頻器干擾等）。干擾可能會導致脈沖信號紊亂、丟失，嚴重時步進電機會無規(guī)律自轉。

5.結束語

本文根據(jù)應用實踐，總結并詳細闡述了步進電機驅動系統(tǒng)設計時的一些技巧，希望對相關設計人員有所幫助。

［1］雷塞步進電機使用說明書［S］

［2］雷塞步進電機驅動器使用說明書［S］.

崔巍，男，高級工程師，主要從事電氣技術工作。

孔雪峰，男，高級工程師，主要從事非標設備研制、數(shù)控維修技術方面的工作。