Omega步進電機及驅動器

2013/6/9 14:29:42

步進電機是一種將數字量脈沖轉換為機械軸旋轉的無刷同步電動機。步進電機的每一轉均細分為若干個離散的步（許多情況下為 200 步），執行每一步時都必須向電機發送單獨的脈沖。步進電機每次僅能執行一步，并且每一步的大小相同。由于每個脈沖會使電機旋轉一個精確的角度（通常為 1.8°），因此無需反饋機制即可控制電機的位置。隨著數字量脈沖頻率的增加，步進運動逐漸變為連續的旋轉，其轉速直接與脈沖頻率成正比。由于步進電機具有成本低、可靠性高、低速高轉矩以及結構簡單堅固等特點，因此適用于幾乎所有環境，在工業和商業應用中得到廣泛的使用。

步進電機的優點

電機的旋轉角度與輸入脈沖成正比。
電機在停轉時達到滿轉矩（如果繞組已激磁）。
由于好的步進電機每步精度在 3% 到 5% 之間，并且每步的誤差不會積累到下一步，因此有較好的位置精度和運動重復性。
具有極佳的起動/停止/反轉響應。
由于電機中無接觸電刷，可靠性極高。因此，步進電機的使用壽命僅取決于軸承的壽命。
步進電機對數字量輸入脈沖做出響應，因而可實現開環控制，從而使電機結構得到簡化并降低了控制成本。
負載直接耦合到轉軸時，可在極低速度下實現同步旋轉。
由于轉速正比于輸入脈沖的頻率，因此可實現較寬的轉速范圍。

步進電機的類型

步進電機分三種基本類型：變磁阻式、永磁式和混合式。本文主要討論混合式電機，這種電機綜合了變磁阻式電機和永磁式電機的最佳特性。混合式電機由多齒定子磁極和永磁轉子組成（請參見圖 A）。標準混合式電機（如 Omegamation^TM 提供的型號）有 200 個轉子齒，每步的旋轉角度為 1.8o。這種電機在極高的步速下表現出較高的靜態和動態轉矩，因此廣泛適用于各種商業應用，包括計算機磁盤驅動器、打印機/繪圖儀以及 CD 播放器。步進電機還可用于一些工業和科學應用，包括機器人、機床、貼裝機、自動切線接線機以及精準流體控制設備。

步進模式

步進電機的“步進模式”包括整步、半步和微步三種。任何步進電機的步進模式輸出類型都取決于驅動器的設計。 Omegamation^? 提供帶有整步/半步模式可選開關的步進電機驅動器以及分辨率可由開關或軟件選擇的微步驅動器。

整步
標準混合式步進電機的轉子齒數為 200，也就是說電機軸旋轉一周需要 200 個整步。 200 步除以一圈 360o 等于整步旋轉角度 1.8o。通常，通過雙繞組激磁并交替反轉電流方向，可實現整步模式。驅動器的一個數字量脈沖基本等同于一步。

半步
半步可以簡單地理解為步進電機每旋轉一周需要 400 步。在這種模式中，將交替給兩個繞組激磁，因此轉子僅旋轉一半的距離 (0.9o)。雖然半步模式的轉矩比整步模式要小約 30%，但其實現的運動更為平穩。

微步
微步模式是相對較新的一項電機技術，它可以更精細地控制電機繞組的電流，從而在兩極間進一步細分出更多的位置。 Omegamation 的步進驅動器可將一個整步 (1.8o) 細分為 256 個微步，使每轉的步數達到 51,200 步（0.007o/步）。微步模式通常用于需要在較寬轉速范圍內實現精確定位和更平穩運動的應用。與半步模式類似，微步模式的轉矩比整步模式要小約 30%。

線性運動控制

步進電機的旋轉運動可通過絲杠/蝸輪驅動系統（請參見圖 B）轉換為直線運動。絲杠的導程（又稱螺距）是螺絲旋轉一周經過的直線距離。如果導程等于每轉一英寸并且每轉有 200 個整步，則絲杠系統的分辨力為每步 0.005 英寸。使用微步模式下的步進電機/驅動系統可以實現更為精細的分辨力。

串聯與并聯

步進電機有兩種連接方式：串聯和并聯。串聯時的電感較高，因此可在低速時提供較高的轉矩。并聯可降低電感，從而在較高的轉速下增加轉矩。

Series connection

Parallel connection

驅動器技術概覽

步進電機的驅動器可從分度器或控制系統接收步進和方向信號，并將這些信號轉換為用于運行步進電機的電信號。電機軸的每一步都需要一個脈沖。在整步模式下，標準的 200 步電機旋轉一周需要 200 步脈沖。轉速與脈沖頻率直接成正比。某些驅動器帶有板載振蕩器，因此可通過外部模擬量信號或操縱桿設置電機轉速。

步進電機的轉速和轉矩性能取決于驅動器到電機繞組的電流。抑制電流或限制繞組勵磁時間的因素稱為阻抗。由于阻抗的影響，大部分類型的驅動器電路提供的電壓均高于電機的額定電壓。驅動器提供的輸出電壓越高，轉矩與轉速的比就越高。通常，驅動器的輸出電壓（總線電壓）應高出電機額定電壓 5 至 20 倍。為了防止電機損壞，步進電機驅動器的電流不應超過步進電機的額定電流值。

分度器概覽

分度器（又稱控制器）可為驅動器提供步進和方向輸出。大部分應用還需要分度器額外管理其它控制功能，包括加速、減速、每秒步數和距離。分度器還可收發并控制許多其它的外部信號。

與分度器的通信可通過 RS-232 串行端口（有時為 RS485 端口）實現。無論采用哪種端口，分度器都可從主機計算機接收高級命令并生成需要的步進和方向脈沖發送給驅動器。

分度器包括輔助 I/O，用于監視來自行程開關、微動開關、原點開關或限位開關等外部源的輸入。它還可以通過 I/O 輸出引腳啟動其它設備功能。

獨立操作

在獨立模式中，分度器可不依賴主機計算機而單獨工作。運動程序下載到非易失性存儲器中后，可通過多種類型的操作員界面（例如鍵盤或觸摸屏）進行啟動，或者也可以利用輔助 I/O 輸入通過開關進行啟動。獨立式步進電機控制系統通常都封裝有驅動器和電源，以及可選的編碼器反饋，適用于需要失速檢測和準確電機位置補償的“閉環”應用。

多軸控制

在許多運動應用中，都需要控制多臺步進電機。這種情況下可以使用多軸控制系統。例如，HUB 444 網絡集線器最多可以連接四臺步進電機，每個驅動器連接一臺單獨的步進電機。網絡集線器可為需要高度同步的應用（如圓弧或直線插補）提供運動協調功能。

Figure C: Torque-Speed Curve for
3540i Stepper Drive and NEMA 23 Motor

選擇步進電機和驅動器

步進電機的選型取決于具體應用對轉矩和轉速的要求。可使用電機的轉矩-轉速曲線（可在每個驅動器的技術參數中找到，請參見圖 C 中的示例）選擇適合的電機。 Omegamation 系列的每種步進驅動器均提供了其適用電機的轉矩-速度曲線。如果多種步進電機都可滿足轉矩和轉速要求，則根據運動系統的需求（步進/方向、獨立可編程、模擬量輸入、微步）選擇合適的驅動器，然后選擇該驅動器適用的一臺電機。推薦電機清單是制造商為確保步進電機與驅動器組合具有最優性能而進行廣泛測試后所確定的。