一體化步進電機驅動器

一體化步進系統由步進電機、反饋系統（選配）、驅動放大器、運動控制器等子系統組成。如果把用戶上位機（PC、PLC等）比作公司老闆，運動控制器就是高管，驅動放大器就是技工，步進電機就是工具機。老闆通過某種通訊方式/協定（電話、電報、電郵等）協調數個高管間合作。

簡介

現代社會分工日益細化。不論企業還是用戶，只有專注於最擅長的工作才能使利益最大化。步進電機的用戶多數不研究電機的控制和最佳化，而是將其套用於某個場合。基於這點，國外開始盛行一體化步進系統，即將步進電機、反饋裝置、驅動放大器、運動控制器組合成一個整體。其優勢為：體積小、故障率低、無需匹配電機和驅動控制器，使用簡單，系統設計和維護方便，大大減少產品開發時間。

然而國外的一體化步進系統售價高昂，一般在200到1000美金一台/軸。鑒於國內實際情況，上海優愛寶公司從美國引進了一體化步進系統全面技術，以適合中國的價格為國內用戶提供一體化步進電機驅動控制系統。其低端產品比國內同類售價略低，其高端產品國內尚無類似，其價格是國外產品的1/10。關鍵元器件全部由美國合作公司在美國本土採購。

針對目前步進電機用戶選型一體化步進電機微型驅動控制器的一些疑問特撰文如下。

高管根據老闆意思，作出詳細工作計畫通知手下的技工。技工根據高管的計畫開工具機完成生產任務。同時由於該工具機（步進電機）質量很好，一般不出次品。但是為保證質量，可以增加質檢人員（即反饋系統），在發生質量問題時通知高管和老闆以決定對策。老闆不會開工具機，也不懂生產，但是由於有高管和技工的幫助，老闆照樣能統領多個高管完成複雜的任務。高管+技工+工具機就是一個一體化的步進電機系統，而用戶則是老闆。

以下對各子系統選型時的基本考量分別作簡單介紹。

步進電機選型

步進電機能將電脈衝信號轉變為角位移或線位移。在額定功率範圍內，電機的轉速只取決於脈衝信號的頻率和脈衝數，而不受負載變化的影響，加上步進電機累積誤差較小等特點，使得在速度、位置等領域用步進電機來控制變得較為簡單。步進電機分三種，目前主要廣泛套用的是混合式步進電機。選用步進電機時，必須注意如下廠方參數。

廠房參數

1） 步距角： 收到一個步進脈衝，電機所轉動的角度。實際步距角和驅動器的細分數有關。一般步進電機的精度為步距角的3-5%，不累積。

2） 相數： 電機內部的線圈組數。相數不同，步距角不同。如使用細分驅動器，則‘相數’沒有意義：改變細分數就可改變步距角。

3） 保持轉矩：亦稱為最大靜轉矩。指額定電流下轉速為零時，外力迫使轉子轉動所需的力矩。保持轉矩與驅動電壓及驅動電源等無關。步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由於步進電機的輸出力矩和功率隨速度增大而不斷變化，所以保持轉矩是衡量步進電機最重要的參數之一。雖然保持轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關。但過份採用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發熱及機械噪音。

保持轉矩的選型確定：

步進電機的動態力矩一下子很難確定，往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。階越（突然）起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速（斜坡）起動時主要考慮慣性負載，恆速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，保持轉矩應為摩擦負載的2-3倍內好，保持轉矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來。

4） 額定相電流：指電機實現各項額定廠方參數時的每相（每個線圈）電流。實驗證明高於和低於該電流均可造成電機工作時某些指標超標而同時另一些指標不達標。

其他注意事項

低速運轉的振動和噪聲。從本質上說，每一脈衝都是對電機系統的激勵。當激勵頻率接近電機的自振頻率時，轉子就會有大幅的震動。因此振動和噪聲是其固有的特點。一般轉速為1圈/秒，2圈/秒時震動最大。可採用改變減速比，細分驅動器等方法減緩。

選擇電源時，電壓通常根據電機的工作轉速和回響要求來選擇。轉速較高或回響要求較快時選較高電壓。電流一般根據驅動器的輸出相電流峰值來確定。線性電源取相電流的1.1～1.3倍，開關電源取相電流 的1.5～2倍。

脫機時電機電流被切斷，轉子處於自由狀態（脫機狀態）。如不斷電時要手動轉動電機軸，可使用脫機。

運行溫度過高會發生退磁現象導致力矩下降和失步。一般退磁點大於攝氏130度，故電機表面攝氏80-90度屬正常。

電機沒有載荷情況下能正常啟動的最高脈衝頻率叫空載啟動頻率。如果高於該值，則不能正常啟動。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。

反饋系統選型

步進電機區別於其他所有電機的最大優點走步精準而且有力。如果工作過程是已知的，阻礙力矩是在電機能力範圍以內的，反饋系統並不需要。反饋系統的加裝和信號採集處理會迅速增加成本，且與步進電機的特長重疊，所以除非必須，一般不要反饋系統。雖然這樣，優愛寶的一些高端驅動控制器還是提供了幾個反饋信號接入口，可接受模擬量（內置12位模數轉換）和數字量輸入，並通過相應的通訊協定發回給用戶。

驅動放大器選型

驅動放大器包括邏輯解釋模組和電流放大模組。驅動放大器接受步進脈衝，方向信號等輸入，輸出兩組（或幾組）受控電流到電機的兩個（或幾個）繞組。

邏輯解釋模組根據用戶上位機發來的步進脈衝、方向信號以及脫機信號等，使得各線圈（繞組）電流輪流切換，從而使電機轉子步進旋轉。電機工作方式只有兩種，即整步工作和半步工作，步距角是由電機結構確定的。當基本步距角不能滿足要求時，需要進行細分驅動。即每次輸入脈衝切換時，不將電流全通或全斷，而只改變相應繞組電流的一部分，從而轉子只轉動基本步距角的一部分。細分功能由驅動器靠精確控制電機的相電流所產生，與電機無關。細分後，輸出電流變化相對平穩，一定程度上提高輸出轉矩，減弱電機的低頻振盪，提高步距精度。具體的改善程度視細分程度和驅動電路的質量而定。對於質量較好的電機，一般16~32細分以上已無明顯作用，但可略為降低振動和噪音。

電流放大模組將邏輯信號放大成工作電流。較為常用的是由場效應管組成的H橋電路。場效應管可以是一種電子開關，就像電燈開關。使用這種通斷型開關來調整電流的常用方式是斬波恆流。恆流就是恆定電流。斬波就是將高出需要電流波砍掉。例如往一個漏水的杯子裡加水，如加水速度大於漏水速度，就要停停加加，以免溢出。場效應管開通時，電流上升。當電流剛超過設定時，場效應管關斷，電流被砍，掉下來。掉到低於設定時，場效應管再次打開，電流又上升。反覆開關加上電機線圈電感作用，電流就保持在設定值了。需要指出的是，有些驅動放大器發熱量（不是溫度）很大，有些很小。主要原因是多數場效應管的內阻都在幾百毫歐姆。多數優愛寶驅動器場效應管內阻都在10-30毫歐姆之間，所以發熱量較普通驅動器小很多。驅動器的表面溫度與發熱量和散熱面積相關。優愛寶驅動器由於體積小（火柴盒大小），故而雖然發熱量很小(一般小於1-2W)，但是在一些大電流（4-8A）的工作場合，仍需要將其安裝在提供的法蘭片上並固定到電機上或機柜上以散熱。

運動控制器選型

運動控制器包括運動控制模組和通訊模組。運動控制器負責與用戶上位機交流，並按上位機要求，控制驅動放大器實現電機的受控運動。

為了讓用戶上位機能專注於高層次的控制工作，運動控制器必須具備足夠的智慧型。關於運動控制模組的功能和原理涉及較為複雜的控制技術，此處從簡。這兒介紹與用戶切身相關的通訊模組。多數情況下，運動控制器負責實現用戶指令。指令的傳遞涉及軟體（協定、指令結構）和硬體。硬體類似前面例子中的電話機/線，PC機/網線等。協定（電話還是電郵）定了，硬體也就基本定了。指令結構好比說話的語法結構，白話文結構，文言文結構等，雙方聽懂就好。

目前工業常用協定有RS232，RS485，CAN 等。RS232最簡單，但抗干擾差，傳輸距離短。RS485和RS232差不多簡單，抗干擾略強，傳輸距離較長。CAN匯流排協定以其高速（1百萬比特率）、長距離（1萬米）、高抗干擾的特點，被國外廣泛用於汽車（發動機、感測和電控系統等）、自動化製造、交通管理等干擾信號嚴重，攸關人身安全的場合。CAN匯流排只需兩根導線即可組成網路。其網路結構類似節日彩燈，從頭到尾總共兩根電源線卻掛幾百盞燈。CAN協定保證不會發生節點為爭奪匯流排而撞車。但是CAN協定相對複雜，不易掌握。

優愛寶的RS232系列驅動器採用RS232與用戶機通訊。值得注意的是，在短距離內，RS232也可達到很高的速度。如用合適的外圍器件，速度可達1M以上。而CAN匯流排系列驅動器將CAN匯流排和協定打包，再以簡單易用的RS232與用戶界面。因此用戶不必了解和處理紛繁複雜的CAN匯流排運作方式，也能充分享用CAN匯流排的高速、長距離、高抗干擾、網路功能、連線簡潔等優越性能。所有指令均通過CAN匯流排（在工作地，如廠區、設備內）傳遞，只在用戶上位機的進出口處將CAN協定和RS232協定雙向翻譯/轉換。不算兩根電源線，優愛寶的CAN系列控制器和彩燈沒有區別：兩根信號線能拖掛高達100台驅動器。

在指令結構方面，傻瓜型的用戶界面使得用戶無需了解步進電機、驅動器以及CAN匯流排。指令結構簡單直觀，高容錯。例如要執行速度=1000步/秒，以下指令都有效：“SPD=1000；”，“SPD:1000；”，“SPD 1000；”，“SPD1000；”甚至“SPD%$&*1000；” 萬一輸入了錯誤指令，驅動器返回錯誤信息,錯誤指令不被執行。

一言以蔽之，一體化步進系統的特點就是：老大（用戶機）發句話，小弟（一體化系統）全搞定，並隨時可向老大匯報。