3.1　步進電機及其驅動應用

3.1.1　步進電機簡介

步進電機是生產機械上常用的一種運動部件，它具有結構簡單，控制方便，定位準確，成本低廉等優點，因而應用十分廣泛。目前世界上主要的PLC廠家生產的PLC均有專門的步進電機控制指令，可以很方便地和步進電機構成運動控制系統。

步進電機和生產機械的連接有很多種，常見的一種是步進電機和絲杠連接，將步進電機的旋轉運動轉變成工作臺面的直線運動。

在這種應用中，和運動直接相關的參數有以下幾個。

N：PLC發出的控制脈沖的個數。

n：步進電機驅動器的脈沖細分數（如果步進電機驅動器有脈沖細分驅動）。

θ：步進電機的步距角，即步進電機每收到一個脈沖變化，軸所轉過的角度。

d：絲杠的螺紋距，它決定了絲杠每轉過一圈，工作臺面前進的距離。

根據以上幾個參數，我們有以下結論。

① PLC發出的脈沖到達步進電機上，脈沖實際有效數應為N/n，步進電機每轉過一圈，需要的脈沖個數為360/θ，則PLC發出N個脈沖，工作臺面移動的距離為：

② PLC要和步進電機配合實現運動控制，還需要在PLC內部進行一系列設定，不同的PLC類型所要編制的程序不同，控制字也有不同，參考其說明書就可以知道這種差異。另外，步進電機是要用高速脈沖控制的，所以PLC必須是可以輸出高速脈沖的晶體管輸出形式，不可以使用繼電器輸出形式的PLC來控制步進電機。

1.步進電機的工作原理

步進電機是數字控制系統中的執行電動機，當系統將一個電脈沖信號加到步進電機定子繞組時，轉子就轉一步，當電脈沖按某一相序加到電動機時，轉子沿某一方向轉動的步數等于電脈沖個數。因此，改變輸入脈沖的數目就能控制步進電動機轉子機械位移的大小；改變輸入脈沖的通電相序，就能控制步進電動機轉子機械位移的方向，實現位置的控制。

當電脈沖按某一相序連續加到步進電動機時，轉子以正比于電脈沖頻率的轉速沿某一方向旋轉。因此，改變電脈沖的頻率大小和通電相序，就能控制步進電動機的轉速和轉向，實現寬廣范圍內速度的無級平滑控制。步進電動機的這種控制功能，是其它電動機無法替代的。

步進電動機可分為磁阻式、永磁式和混合式，步進電動機的相數可分為：單相、二相、三相、四相、五相、六相等多種。增加相數能提高步進電動機的性能，但電動機的結構和驅動電源就會復雜，成本就會增加，應按需要合理選用。

下面以一臺最簡單的三相反應式步進電機為例，簡介步進電機的工作原理。

圖3-1是一臺三相反應式步進電機的原理圖。定子鐵芯為凸極式，共有三對（六個）磁極，每兩個空間相對的磁極上繞有一相控制繞組。轉子用軟磁性材料中制成，也是凸極結構，只有四個齒，齒寬等于定子的極寬。

當A相控制繞組通電，其余兩相均不通電，電機內建立以定子A相極為軸線的磁場。由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，使轉子齒1、3的軸線與定子A相極軸線對齊，如圖3-1（a）所示。當A相控制繞組斷電、B相控制繞組通電時，轉子在反應轉矩的作用下，順時針轉過30°，使轉子齒2、4的軸線與定子B相極軸線對齊，即轉子走了一步，如圖3-1（b）所示。若斷開B相，使C相控制繞組通電，轉子順時針方向又轉過30°，使轉子齒1、3的軸線與定子C相極軸線對齊，如圖3-1（c）所示。如此按A—B—C—A的順序輪流通電，轉子就會一步一步地按順時針方向轉動。其轉速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率，旋轉方向取決于控制繞組輪流通電的順序。若按A—C—B—A的順序通電，則電動機按逆時針方向轉動。

上述通電方式稱為三相單三拍。相數是指產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數，常用m表示；“三相”是指三相步進電動機。拍數是指控制繞組改變通電狀態的次數，用n表示。“三拍”是指改變三次通電狀態為一個循環，“單三拍”是指每次只有一相控制繞組通電。把每一拍轉子轉過的角度稱為步距角，即對應一個脈沖信號，電動機轉子轉過的角位移θ。

式中　θ——步距角；

Zr——轉子齒數；

m——每個通電循環周期的拍數。

三相單三拍運行時，步距角為30°。顯然，這個角度太大，不能付諸實用。

如果把控制繞組的通電方式改為A→AB→B→BC→C→CA→A，即一相通電接著二相通電間隔地輪流進行，完成一個循環需要經過六次通電狀態改變，稱為三相單、雙六拍通電方式。當A、B兩相繞組同時通電時，轉子齒的位置應同時考慮到兩對定子極的作用，只有A相極和B相極對轉子齒所產生的磁拉力相平衡的中間位置，才是轉子的平衡位置。這樣，單、雙六拍通電方式下轉子平衡位置增加了一倍，步距角為15°。

進一步減小步距角的措施是采用定子磁極帶有小齒，轉子齒數很多的結構，分析表明，這樣結構的步進電動機，其步距角可以做得很小。一般地說，實際的步進電機產品，都采用這種方法實現步距角的細分。例如YL-335A輸送單元所選用的Kinco三相步進電機3S57Q-04056，它的步距角在整步方式下為1.8°（即在無細分的條件下200個脈沖電機轉一圈），半步方式下為0.9°。

3S57Q-04056部分技術參數如表3-1所示。

2.步進電機的使用

（1）要注意正確的安裝

安裝步進電機，必須嚴格按照產品說明的要求進行。步進電機是一精密裝置，安裝時注意不要敲打它的軸端，更千萬不要拆卸電機。

（2）正確地接線

不同的步進電機的接線有所不同，3S57Q-04056接線圖如圖3-2所示，三個相繞組的六根引出線，必須按頭尾相連的原則連接成三角形。改變繞組的通電順序就能改變步進電機的轉動方向。

（3）防止步進電機運行中失步

步進電動機失步包括丟步和越步。丟步時，轉子前進的步數小于脈沖數，越步時，轉子前進的步數多于脈沖數。丟步嚴重時，將使轉子停留在一個位置上或圍繞一個位置振動；越步嚴重時，設備將發生過沖。

YL-335A中使機械手返回原點的操作，常常會出現越步情況。當機械手裝置回到原點時，原點開關動作，使指令輸入OFF。但如果到達原點前速度過高，慣性轉矩將大于步進電機的保持轉矩而使步進電機越步。因此回原點的操作應確保足夠低速為宜；當步進電機驅動機械手裝配高速運行時緊急停止，出現越步情況不可避免，因此急停復位后應采取先低速返回原點重新校準，再恢復原有操作的方法。（注：所謂保持扭矩，是指電機各相繞組通額定電流，且處于靜態鎖定狀態時，電機所能輸出的最大轉矩，它是步進電機最主要參數之一）。

由于電機繞組本身是感性負載，輸入頻率越高，勵磁電流就越小。頻率高，磁通量變化加劇，渦流損失加大。因此，輸入頻率增高，輸出力矩降低。最高工作頻率的輸出力矩只能達到低頻轉矩的40%～50%。進行高速定位控制時，如果指定頻率過高，會出現丟步現象。

此外，如果機械部件調整不當，會使機械負載增大。步進電機不能過負載運行，哪怕是瞬間，都會造成失步，嚴重時停轉或不規則原地反復振動。

3.步進電機的選用

在選擇步進電機時，首先考慮的是步進電機的類型選擇，其次才是具體的品種選擇。根據系統要求，確定步進電機的電壓值、電流值以及有無定位轉矩和使用螺栓機構的定位裝置，從而就可以確定步進電機的相數和拍數。

在進行步進電機的品種選擇時，要綜合考慮速比i、軸向力F、負載轉矩Tl、額定轉矩TN 和運行頻率fy，以確定步進電機的具體規格和控制裝置。

3.1.2　步進電機驅動器簡介

步進電機需要專門的驅動裝置（驅動器）供電，驅動器和步進電機是一個有機的整體，步進電機的運行性能是電動機及其驅動器二者配合所反映的綜合效果。

一般來說，每一臺步進電機大都有其對應的驅動器，例如，與Kinco三相步進電機3S57Q-04056配套的驅動器是Kinco 3M458型驅動器，圖3-3是它的外觀圖。

步進電機驅動器包括環形分配器和功率放大器兩部分，主要解決向步進電機的各相繞組分配輸出脈沖和功率放大兩個問題。如圖3-4所示。

環形分配器即脈沖分配器，是一個數字邏輯單元，它接收來自控制器的脈沖信號和轉向信號，把脈沖信號按一定的邏輯關系分配到每一相脈沖放大器上，使步進電機按選定的運行方式工作。由于步進電機各相繞組是按一定的通電順序不斷循環來實現步進功能的，因此稱為環形分配器。實現這種分配功能的方法有多種，可以由雙穩態觸發器和門電路完成，也可由可編程邏輯器件完成。

功率放大器進行脈沖功率放大，因為從脈沖分配器輸出的電流很小（毫安級），而步進電機工作時需要的電流較大，因此需要進行功率放大。此外，輸出的脈沖波形、幅度、波形前沿陡度等因素對步進電機運行性能有重要的影響。Kinco 3M458驅動器采取如下一些措施改善步進電機運行性能。

① 內部驅動直流電壓達40V，能提供更好的高速性能。

② 具有電機靜態鎖緊狀態下的自動半流功能，可大大降低電機的發熱。而為調試方便，驅動器還有一對脫機信號輸入線，當信號為ON時，驅動器將斷開輸入到步進電機的電源回路。

③ 把直流電壓通過脈寬調制技術變為三相階梯式正弦電流，如圖3-5所示。

階梯式正弦電流按固定時序分別流過三相繞組，其每個階梯對應電機轉動一步。通過改變驅動器輸出正弦電流的頻率來改變電機轉速，而輸出的階梯數確定了每步轉過的角度，角度越小，其階梯數就越多，從理論上說此角度可以設得足夠小，所以細分數可以很大，這種控制方式稱為細分驅動方式。細分驅動方式不僅可以減小步進電機的步距角，提高分辨率，而且可以減少或消除低頻振動，使電機運行更加平穩均勻。

Kinco 3M458具有最高可達10000步/轉的驅動細分功能，細分可以通過撥動開關設定。

在Kinco 3M458驅動器的側面連接端子中間有一個紅色的八位DIP功能設定開關，可以用來設定驅動器的工作方式和工作參數，包括細分設置、靜態電流設置和運行電流設置。圖3-6是該DIP開關功能劃分說明，表3-2和表3-3分別為細分設置表和電流設定表。

3.1.3　步進電機驅動控制應用

YL-335A輸送單元采用步進電機作動力源，出廠時驅動器細分設置為10000步/轉。直線運動組件的同步輪齒距為5mm，共12個齒，旋轉一周搬運機械手移動60mm，即每步機械手位移 0.006mm；電機驅動電流設為5.2A；靜態鎖定方式為靜態半流。

Kinco 3M458的典型接線圖如圖3-7所示。

圖3-7中，驅動器采用DC 24～40V電源供電。輸出相電流為3.0～5.8A，輸出相電流通過撥動開關設定；驅動器采用自然風冷的冷卻方式。

控制信號輸入電流為6～20mA，控制信號的輸入電路采用光耦隔離。輸送單元PLC輸出公共端Vcc使用的是DC 24V電壓，所使用的限流電阻R1為2kΩ。

驅動器接收來自控制器PLC的脈沖信號以及電機旋轉方向的信號，為步進電機輸出三相功率脈沖信號。PLS+、PLS-控制步進電機的速度和位移量，DIR+、DIR-控制步進電機的運動方向。

硬件連接好之后，利用西門子PLC的高速脈沖輸出指令（PTO/PWM），就能夠實現對步進電機速度、定位運行控制。