一体化步进电机微型驱动控制器选型快速指南

简介

现代社会分工日益细化。不论企业还是用户,只有专注于最擅长的工作才能使利益最大化。步进电机的用户多数不研究电机的控制和优化，而是将其应用于某个场合。基于这点，国外开始盛行一体化步进系统，即将步进电机、反馈装置、驱动放大器、运动控制器组合成一个整体。其优势为：体积小、故障率低、无需匹配电机和驱动控制器，使用简单，系统设计和维护方便，大大减少产品开发时间。


然而国外的一体化步进系统售价高昂，一般在200到1000美金一台/轴。鉴于国内实际情况，上海优爱宝公司从美国引进了一体化步进系统全面技术，以适合中国的价格为国内用户提供一体化步进电机驱动控制系统。其低端产品比国内同类售价略低，其高端产品国内尚无类似，其价格是国外产品的1/10。关键元器件全部由美国合作公司在美国本土采购。


针对目前步进电机用户选型一体化步进电机微型驱动控制器的一些疑问特撰文如下。


一体化步进系统由步进电机、反馈系统（选配）、驱动放大器、运动控制器等子系统组成。如果把用户上位机（PC、PLC等）比作公司老板，运动控制器就是高管，驱动放大器就是技工，步进电机就是机床。老板通过某种通讯方式/协议（电话、电报、电邮等）协调数个高管间合作。高管根据老板意思，作出详细工作计划通知手下的技工。技工根据高管的计划开机床完成生产任务。同时由于该机床（步进电机）质量很好，一般不出次品。但是为保证质量，可以增加质检人员（即反馈系统），在发生质量问题时通知高管和老板以决定对策。老板不会开机床，也不懂生产，但是由于有高管和技工的帮助，老板照样能统领多个高管完成复杂的任务。高管+技工+机床就是一个一体化的步进电机系统，而用户则是老板。

以下对各子系统选型时的基本考量分别作简单介绍。



步进电机

步进电机能将电脉冲信号转变为角位移或线位移。在额定功率范围内，电机的转速只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，加上步进电机累积误差较小等特点，使得在速度、位置等领域用步进电机来控制变得较为简单。步进电机分三种，目前主要广泛应用的是混合式步进电机。选用步进电机时，必须注意如下厂方参数（均和电机一同提供）：

1） 步距角： 收到一个步进脉冲，电机所转动的角度。实际步距角和驱动器的细分数有关。一般步进电机的精度为步距角的3-5%，不累积。

2） 相数： 电机内部的线圈组数。相数不同，步距角不同。如使用细分驱动器，则‘相数’没有意义：改变细分数就可改变步距角。

3） 保持转矩：亦称为最大静转矩。指额定电流下转速为零时，外力迫使转子转动所需的力矩。保持转矩与驱动电压及驱动电源等无关。步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩和功率随速度增大而不断变化，所以保持转矩是衡量步进电机最重要的参数之一。虽然保持转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关。但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

保持转矩的选型确定：

步进电机的动态力矩一下子很难确定，往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。阶越（突然）起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速（斜坡）起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，保持转矩应为摩擦负载的2-3倍内好，保持转矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来。

4） 额定相电流：指电机实现各项额定厂方参数时的每相（每个线圈）电流。实验证明高于和低于该电流均可造成电机工作时某些指标超标而同时另一些指标不达标。

其他一些值得注意的事项还有：

低速运转的振动和噪声。从本质上说，每一脉冲都是对电机系统的激励。当激励频率接近电机的自振频率时，转子就会有大幅的震动。因此振动和噪声是其固有的特点。一般转速为1圈/秒，2圈/秒时震动最大。可采用改变减速比，细分驱动器等方法减缓。

选择电源时，电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。转速较高或响应要求较快时选较高电压。电流一般根据驱动器的输出相电流峰值来确定。线性电源取相电流的1.1～1.3倍，开关电源取相电流 的1.5～2倍。

脱机时电机电流被切断，转子处于自由状态（脱机状态）。如不断电时要手动转动电机轴，可使用脱机。

运行温度过高会发生退磁现象导致力矩下降和失步。一般退磁点大于摄氏130度，故电机表面摄氏80-90度属正常。

电机没有载荷情况下能正常启动的最高脉冲频率叫空载启动频率。如果高于该值，则不能正常启动。在有负载的情况下，启动频率应更低。



反馈系统

步进电机区别于其他所有电机的最大优点走步精准而且有力。如果工作过程是已知的，阻碍力矩是在电机能力范围以内的，反馈系统并不需要。反馈系统的加装和信号采集处理会迅速增加成本，且与步进电机的特长重叠，所以除非必须，一般不要反馈系统。虽然这样，优爱宝的一些高端驱动控制器还是提供了几个反馈信号接入口，可接受模拟量（内置12位模数转换）和数字量输入，并通过相应的通讯协议发回给用户。



驱动放大器

驱动放大器包括逻辑解释模块和电流放大模块。驱动放大器接受步进脉冲，方向信号等输入，输出两组（或几组）受控电流到电机的两个（或几个）绕组。



逻辑解释模块根据用户上位机发来的步进脉冲、方向信号以及脱机信号等，使得各线圈（绕组）电流轮流切换，从而使电机转子步进旋转。电机工作方式只有两种，即整步工作和半步工作，步距角是由电机结构确定的。当基本步距角不能满足要求时，需要进行细分驱动。即每次输入脉冲切换时，不将电流全通或全断，而只改变相应绕组电流的一部分，从而转子只转动基本步距角的一部分。细分功能由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生，与电机无关。细分后，输出电流变化相对平稳，一定程度上提高输出转矩，减弱电机的低频振荡，提高步距精度。具体的改善程度视细分程度和驱动电路的质量而定。对于质量较好的电机，一般16~32细分以上已无明显作用，但可略为降低振动和噪音。



电流放大模块将逻辑信号放大成工作电流。较为常用的是由场效应管组成的H桥电路。场效应管可以是一种电子开关，就像电灯开关。使用这种通断型开关来调整电流的常用方式是斩波恒流。恒流就是恒定电流。斩波就是将高出需要电流波砍掉。例如往一个漏水的杯子里加水，如加水速度大于漏水速度，就要停停加加，以免溢出。场效应管开通时，电流上升。当电流刚超过设定时，场效应管关断，电流被砍，掉下来。掉到低于设定时，场效应管再次打开，电流又上升。反复开关加上电机线圈电感作用，电流就保持在设定值了。需要指出的是，有些驱动放大器发热量（不是温度）很大，有些很小。主要原因是多数场效应管的内阻都在几百毫欧姆。多数优爱宝驱动器场效应管内阻都在10-30毫欧姆之间，所以发热量较普通驱动器小很多。驱动器的表面温度与发热量和散热面积相关。优爱宝驱动器由于体积小（火柴盒大小），故而虽然发热量很小(一般小于1-2W)，但是在一些大电流（4-8A）的工作场合，仍需要将其安装在提供的法兰片上并固定到电机上或机柜上以散热。



运动控制器

运动控制器包括运动控制模块和通讯模块。运动控制器负责与用户上位机交流，并按上位机要求，控制驱动放大器实现电机的受控运动。

为了让用户上位机能专注于高层次的控制工作，运动控制器必须具备足够的智能。关于运动控制模块的功能和原理涉及较为复杂的控制技术，此处从简。这儿介绍与用户切身相关的通讯模块。多数情况下，运动控制器负责实现用户指令。指令的传递涉及软件（协议、指令结构）和硬件。硬件类似前面例子中的电话机/线，PC机/网线等。协议（电话还是电邮）定了，硬件也就基本定了。指令结构好比说话的语法结构，白话文结构，文言文结构等，双方听懂就好。



目前工业常用协议有RS232，RS485，CAN 等。RS232最简单，但抗干扰差，传输距离短。RS485和RS232差不多简单，抗干扰略强，传输距离较长。CAN总线协议以其高速（1百万比特率）、长距离（1万米）、高抗干扰的特点，被国外广泛用于汽车（发动机、传感和电控系统等）、自动化制造、交通管理等干扰信号严重，攸关人身安全的场合。CA