3.1　步进电机及其驱动应用

3.1.1　步进电机简介

步进电机是生产机械上常用的一种运动部件，它具有结构简单，控制方便，定位准确，成本低廉等优点，因而应用十分广泛。目前世界上主要的PLC厂家生产的PLC均有专门的步进电机控制指令，可以很方便地和步进电机构成运动控制系统。

步进电机和生产机械的连接有很多种，常见的一种是步进电机和丝杠连接，将步进电机的旋转运动转变成工作台面的直线运动。

在这种应用中，和运动直接相关的参数有以下几个。

N：PLC发出的控制脉冲的个数。

n：步进电机驱动器的脉冲细分数（如果步进电机驱动器有脉冲细分驱动）。

θ：步进电机的步距角，即步进电机每收到一个脉冲变化，轴所转过的角度。

d：丝杠的螺纹距，它决定了丝杠每转过一圈，工作台面前进的距离。

根据以上几个参数，我们有以下结论。

① PLC发出的脉冲到达步进电机上，脉冲实际有效数应为N/n，步进电机每转过一圈，需要的脉冲个数为360/θ，则PLC发出N个脉冲，工作台面移动的距离为：

② PLC要和步进电机配合实现运动控制，还需要在PLC内部进行一系列设定，不同的PLC类型所要编制的程序不同，控制字也有不同，参考其说明书就可以知道这种差异。另外，步进电机是要用高速脉冲控制的，所以PLC必须是可以输出高速脉冲的晶体管输出形式，不可以使用继电器输出形式的PLC来控制步进电机。

1.步进电机的工作原理

步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。

当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法替代的。

步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电动机的相数可分为：单相、二相、三相、四相、五相、六相等多种。增加相数能提高步进电动机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。

下面以一台最简单的三相反应式步进电机为例，简介步进电机的工作原理。

图3-1是一台三相反应式步进电机的原理图。定子铁芯为凸极式，共有三对（六个）磁极，每两个空间相对的磁极上绕有一相控制绕组。转子用软磁性材料中制成，也是凸极结构，只有四个齿，齿宽等于定子的极宽。

当A相控制绕组通电，其余两相均不通电，电机内建立以定子A相极为轴线的磁场。由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，使转子齿1、3的轴线与定子A相极轴线对齐，如图3-1（a）所示。当A相控制绕组断电、B相控制绕组通电时，转子在反应转矩的作用下，顺时针转过30°，使转子齿2、4的轴线与定子B相极轴线对齐，即转子走了一步，如图3-1（b）所示。若断开B相，使C相控制绕组通电，转子顺时针方向又转过30°，使转子齿1、3的轴线与定子C相极轴线对齐，如图3-1（c）所示。如此按A—B—C—A的顺序轮流通电，转子就会一步一步地按顺时针方向转动。其转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。若按A—C—B—A的顺序通电，则电动机按逆时针方向转动。

上述通电方式称为三相单三拍。相数是指产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示；“三相”是指三相步进电动机。拍数是指控制绕组改变通电状态的次数，用n表示。“三拍”是指改变三次通电状态为一个循环，“单三拍”是指每次只有一相控制绕组通电。把每一拍转子转过的角度称为步距角，即对应一个脉冲信号，电动机转子转过的角位移θ。

式中　θ——步距角；

Zr——转子齿数；

m——每个通电循环周期的拍数。

三相单三拍运行时，步距角为30°。显然，这个角度太大，不能付诸实用。

如果把控制绕组的通电方式改为A→AB→B→BC→C→CA→A，即一相通电接着二相通电间隔地轮流进行，完成一个循环需要经过六次通电状态改变，称为三相单、双六拍通电方式。当A、B两相绕组同时通电时，转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用，只有A相极和B相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡的中间位置，才是转子的平衡位置。这样，单、双六拍通电方式下转子平衡位置增加了一倍，步距角为15°。

进一步减小步距角的措施是采用定子磁极带有小齿，转子齿数很多的结构，分析表明，这样结构的步进电动机，其步距角可以做得很小。一般地说，实际的步进电机产品，都采用这种方法实现步距角的细分。例如YL-335A输送单元所选用的Kinco三相步进电机3S57Q-04056，它的步距角在整步方式下为1.8°（即在无细分的条件下200个脉冲电机转一圈），半步方式下为0.9°。

3S57Q-04056部分技术参数如表3-1所示。

2.步进电机的使用

（1）要注意正确的安装

安装步进电机，必须严格按照产品说明的要求进行。步进电机是一精密装置，安装时注意不要敲打它的轴端，更千万不要拆卸电机。

（2）正确地接线

不同的步进电机的接线有所不同，3S57Q-04056接线图如图3-2所示，三个相绕组的六根引出线，必须按头尾相连的原则连接成三角形。改变绕组的通电顺序就能改变步进电机的转动方向。

（3）防止步进电机运行中失步

步进电动机失步包括丢步和越步。丢步时，转子前进的步数小于脉冲数，越步时，转子前进的步数多于脉冲数。丢步严重时，将使转子停留在一个位置上或围绕一个位置振动；越步严重时，设备将发生过冲。

YL-335A中使机械手返回原点的操作，常常会出现越步情况。当机械手装置回到原点时，原点开关动作，使指令输入OFF。但如果到达原点前速度过高，惯性转矩将大于步进电机的保持转矩而使步进电机越步。因此回原点的操作应确保足够低速为宜；当步进电机驱动机械手装配高速运行时紧急停止，出现越步情况不可避免，因此急停复位后应采取先低速返回原点重新校准，再恢复原有操作的方法。（注：所谓保持扭矩，是指电机各相绕组通额定电流，且处于静态锁定状态时，电机所能输出的最大转矩，它是步进电机最主要参数之一）。

由于电机绕组本身是感性负载，输入频率越高，励磁电流就越小。频率高，磁通量变化加剧，涡流损失加大。因此，输入频率增高，输出力矩降低。最高工作频率的输出力矩只能达到低频转矩的40%～50%。进行高速定位控制时，如果指定频率过高，会出现丢步现象。

此外，如果机械部件调整不当，会使机械负载增大。步进电机不能过负载运行，哪怕是瞬间，都会造成失步，严重时停转或不规则原地反复振动。

3.步进电机的选用

在选择步进电机时，首先考虑的是步进电机的类型选择，其次才是具体的品种选择。根据系统要求，确定步进电机的电压值、电流值以及有无定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，从而就可以确定步进电机的相数和拍数。

在进行步进电机的品种选择时，要综合考虑速比i、轴向力F、负载转矩Tl、额定转矩TN 和运行频率fy，以确定步进电机的具体规格和控制装置。

3.1.2　步进电机驱动器简介

步进电机需要专门的驱动装置（驱动器）供电，驱动器和步进电机是一个有机的整体，步进电机的运行性能是电动机及其驱动器二者配合所反映的综合效果。

一般来说，每一台步进电机大都有其对应的驱动器，例如，与Kinco三相步进电机3S57Q-04056配套的驱动器是Kinco 3M458型驱动器，图3-3是它的外观图。

步进电机驱动器包括环形分配器和功率放大器两部分，主要解决向步进电机的各相绕组分配输出脉冲和功率放大两个问题。如图3-4所示。

环形分配器即脉冲分配器，是一个数字逻辑单元，它接收来自控制器的脉冲信号和转向信号，把脉冲信号按一定的逻辑关系分配到每一相脉冲放大器上，使步进电机按选定的运行方式工作。由于步进电机各相绕组是按一定的通电顺序不断循环来实现步进功能的，因此称为环形分配器。实现这种分配功能的方法有多种，可以由双稳态触发器和门电路完成，也可由可编程逻辑器件完成。

功率放大器进行脉冲功率放大，因为从脉冲分配器输出的电流很小（毫安级），而步进电机工作时需要的电流较大，因此需要进行功率放大。此外，输出的脉冲波形、幅度、波形前沿陡度等因素对步进电机运行性能有重要的影响。Kinco 3M458驱动器采取如下一些措施改善步进电机运行性能。

① 内部驱动直流电压达40V，能提供更好的高速性能。

② 具有电机静态锁紧状态下的自动半流功能，可大大降低电机的发热。而为调试方便，驱动器还有一对脱机信号输入线，当信号为ON时，驱动器将断开输入到步进电机的电源回路。

③ 把直流电压通过脉宽调制技术变为三相阶梯式正弦电流，如图3-5所示。

阶梯式正弦电流按固定时序分别流过三相绕组，其每个阶梯对应电机转动一步。通过改变驱动器输出正弦电流的频率来改变电机转速，而输出的阶梯数确定了每步转过的角度，角度越小，其阶梯数就越多，从理论上说此角度可以设得足够小，所以细分数可以很大，这种控制方式称为细分驱动方式。细分驱动方式不仅可以减小步进电机的步距角，提高分辨率，而且可以减少或消除低频振动，使电机运行更加平稳均匀。

Kinco 3M458具有最高可达10000步/转的驱动细分功能，细分可以通过拨动开关设定。

在Kinco 3M458驱动器的侧面连接端子中间有一个红色的八位DIP功能设定开关，可以用来设定驱动器的工作方式和工作参数，包括细分设置、静态电流设置和运行电流设置。图3-6是该DIP开关功能划分说明，表3-2和表3-3分别为细分设置表和电流设定表。

3.1.3　步进电机驱动控制应用

YL-335A输送单元采用步进电机作动力源，出厂时驱动器细分设置为10000步/转。直线运动组件的同步轮齿距为5mm，共12个齿，旋转一周搬运机械手移动60mm，即每步机械手位移 0.006mm；电机驱动电流设为5.2A；静态锁定方式为静态半流。

Kinco 3M458的典型接线图如图3-7所示。

图3-7中，驱动器采用DC 24～40V电源供电。输出相电流为3.0～5.8A，输出相电流通过拨动开关设定；驱动器采用自然风冷的冷却方式。

控制信号输入电流为6～20mA，控制信号的输入电路采用光耦隔离。输送单元PLC输出公共端Vcc使用的是DC 24V电压，所使用的限流电阻R1为2kΩ。

驱动器接收来自控制器PLC的脉冲信号以及电机旋转方向的信号，为步进电机输出三相功率脉冲信号。PLS+、PLS-控制步进电机的速度和位移量，DIR+、DIR-控制步进电机的运动方向。

硬件连接好之后，利用西门子PLC的高速脉冲输出指令（PTO/PWM），就能够实现对步进电机速度、定位运行控制。