步進電動機自動化生產線技術目錄步進電動機簡介步進電動機的驅動裝置使用步進電機應注意的問題123一、步進電動機簡介

步進電動機是將電脈沖信號轉換為相應的角位移或直線位移的一種特殊執行電動機。每輸入一個電脈沖信號，電動機就轉動一個角度，其運動形式是步進式的，所以稱為步進電動機。1、步進電動機的工作原理

下面以一臺最簡單的三相反應式步進電動機為例，簡介步進電動機的工作原理。

下圖所示是一臺三相反應式步進電動機的原理圖。定子鐵心為凸極式，共有三對(6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4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l、3的軸線與定子A相極軸線對齊，如圖(a)所示。若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，逆時針轉過30度，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7-11(b)所示。若在斷開B相，使c相控制繞組通電，轉子逆時針方向又轉過30度，使轉子齒1、3的軸線與定子C相極軸線對齊，如圖7-11(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逆時針方向轉動。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，則電動機按順時針方向轉動。

上述通電方式稱為三相單三拍。“三相”是指三相步進電動機；“單三拍”是指每次只有一相控制繞組通電；控制繞組每改變一次通電狀態稱為一拍，“三拍”是指改變三次通電狀態為一個循環。把每一拍轉子轉過的角度稱為步距角。三相單三拍運行時，步距角為30度。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6次改變通電狀態，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度。

進一步減少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。一般來說，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，輸送單元所選用的kinco三相步進電機3S57Q-04056，其步距角是在整步方式下為1.8度，半步方式下為0．9度。

除了步距角外，步進電動機還有如保持轉矩、阻尼轉矩等技術參數，這些參數的物理意義請參閱有關步進電機的專門資料。3S57Q一04056部分技術參數如表7-1所示。2、步進電動機的使用

使用步進電動機一是要注意正確的安裝，二是正確的接線。

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

不同的步進電動機的接線有所不同，3S57Q-04056接線圖如圖7-12所示，3個相繞組的6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動機的轉動方向。二、步進電動機的驅動裝置

步進電動機需要專門的驅動裝置(驅動器)供電，驅動器和步進電動機是一個有機的整體，步進電動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，每一臺步進電動機大都有其對應的驅動器，例如，Kinco，三相步進電動機3S57Q-04056與之配套的驅動器是Kinco3M458三相步進電動機驅動器。圖7-13和圖7-14

分別是它的外觀圖和典型接線圖。圖中，驅動器可采用直流24V～40V電源供電。YL-335B中，該電源由輸送單元專用的開關穩壓電源(DC24V8A)供給。輸出電流和輸入信號規格為：②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出端使用的是DC24V工作電源，所使用的限流電阻R1為2k歐姆。①輸出相電流為3．0A～5．8A，輸出相電流通過撥動開關設定；驅動器采用自然風冷卻的方式；

由圖可見，步進電機驅動器的功能是接收來自控制器(PLC)的一定數量和頻率脈沖信號以及電機旋轉方向的信號，為步進電動機輸出三相功率脈沖信號。

步進電機驅動器的組成包括脈沖分配器和脈沖放大器兩部分，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。

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并不斷循環來實現步進功能的，因此脈沖分配器也稱為環形分配器。實現這種分配功能的方法有多種，如可以由雙穩態觸發器和門電路組成，也可由可編程邏輯器件組成。（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人線FREE+和FREE-(見圖7-14)，當這一信號為ON時，驅動器將斷開輸入到步進電機的電源回路。YL-335B沒有使用這一信號，目的是使步進電機在上電后，即使靜止時也保持自動半流的鎖緊狀態。（3）3M458驅動器采用交流伺服驅動原理，把直流電壓通過脈寬調制技術變為三路階梯式正弦波形電流，如圖7-15所示。

脈沖放大器是進行脈沖功率放大。因為從脈沖分配器能夠輸出的電流很小(毫安級)，而步進電動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動機運行性能有重要的影響。3M458驅動器采取如下一些措施，大大改善了步進電機運行性能：

階梯式正弦波形電流按固定時序分別流過三路繞組，其每個階梯對應電動機轉動一步。通過改變驅動器輸出正弦電流的頻率來改變電動機轉速，而輸出的階梯數確定了每步轉過的角度，當角度越小時，那么其階梯數就越多，即細分就越大。從理論上說此角度可以設得足夠小，從而細分數可以是很大。3M458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。

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，從而使電動機運行更加平穩。

在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7-16是該DIP開關功能劃分說明，表7-2和表7-3分別為細分設置表和電流設定表。步進電動機傳動組件的基本技術數據如下：

3S57Q-04056步進電機步距角為1．8度，即在無細分的條件下200個脈沖電動機轉一圈(通過驅動器設置細分精度最高可以達到10000個脈沖電機轉一圈)。

對于采用步進電動機作動力源的YL-335B系統，出廠時驅動器細分設置為10000步／轉。如前所述，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位移60mm。即每步機械手位移O.006mm；電動機驅動電流設為5．2A；靜態鎖定方式為靜態半流。三、使用步進電機應注意的問題

控制步進電動機運行時，應注意考慮在防止步進電機運行中失步的問題。

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。

使機械手返回原點的操作，可能會出現越步情況。當機械手裝置回到原點時，原點開關動作，使指令輸入0FF。但如果到達原點前速度過高，慣性轉矩將大于步進電動機的保持轉矩而使步進電動機越步。因此回原點的操作應確保足夠低速為宜；當步進電動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動機各相繞組通額定電流，且處于靜態鎖定狀態時，電動機所能輸出的最大轉距，它是步進電機最主要參數之一)