步進電機控制器

一、步進電機驅動電路

在H橋電路的基礎上設計步進電機驅動電路。采用分立元件MOS管搭建雙H橋驅動電路是成熟的電機控制方案，電路不復雜，性能可靠，根據MOS管的不同工作電流的上限甚至可以高達數十安培，是理想的步進電機驅動器方案。MOS管H橋驅動電路有NMOS構型和PMOS+NMOS構型，全NMOS管H橋導通電阻更小，但上橋臂的NMOS管的導通電壓高于電源電壓，需要額外的升壓電路，這樣增加了電路的復雜程度和成本，我們采用PMOS+NMOS構型方式搭建雙H橋步進電機驅動電路，電路更簡潔，成本更低;且在這樣的小電流工作場合，PMOS所增加的導通損耗可以忽略不計。驅動電路與MCU之間進行光電隔離，選用廣泛使用的低成本光耦PC817。加入雙輸入四通道與門(74HC08D)，為驅動電路添加使能的功能，即只有在使能的前提下，四路控制信號才是有效的，使步進電機運行更安全穩定MOS管選用IRF5305和IRF1205，其參數為55V、110A，TO252貼片封裝。步進電機驅動電路原理圖如圖所示。

二、電機參數測量電路

為了實時監測步進電機的運行狀態是否正常，為驅動器設計了電機參數測量功能、通過實時監測電機的工作電壓、工作相電流和機殼溫度來實時獲取電機的運行參數，保證電機運行安全穩定。

電機電流采樣電阻選用康銅電阻，一端連接H橋下方，另一端接GND，其工作溫度范圍寬，溫度系數僅為-40~40*10-6/℃，是高精度電流采樣電阻的理想選擇。電壓電流信號調理電路采用LM324運放搭建，電壓跟隨后送入MCU，由MCU內置10Bit A/D轉換器進行A/D采樣。機殼溫度監測選用數字溫芯片DS18B20，將其貼至電機外殼表面，實時監測溫度參數并送入MCU。電機參數檢測電路原理圖如圖所示。在進行電路設計時，使用0歐姆電阻將模擬地(AGND)和數字地(GND)單點連接，以降低相互干擾，提高電路性能。

三、電源及MCU控制電路

系統中，驅動電路用輸入電壓供電，MCU和藍牙模塊需要額外的3.3V電壓供電，傳統的線性穩壓器效率低、尺寸大且發熱嚴重，因此使用DC-DC開關電源方式提供3.3V電壓。開關穩壓芯片選用MPS公司MP2359方案，其效率可高至92%、工作頻率高達1.4MHZ，極高的工作頻率決定其只需要小容量的輸入電容、輸出電容和功率電感即可正常工作。藍牙選用HC- 05模塊 ，串口自動發送。主控芯片為PIC24FJ64GA004，電源及主控芯片外圍電路如圖。

四、應用設置

1、設置步進驅動器的細分數，通常細分數越高，控制分辨率越高。但細分數太高則影響到最大進給速度。一般來說，對于模具機用戶可考慮脈沖當量為0.001mm/P(此時最大進給速度為9600mm/min)或者0.0005mm/P(此時最大進給速度為4800mm/min);對于精度要求不高的用戶，脈沖當量可設置的大一些，如0.002mm/P(此時最大進給速度為19200mm/min)或0.005mm/P(此時最大進給速度為48000mm/min)。對于兩相步進電機，脈沖當量計算方法如下:脈沖當量=絲杠螺距÷細分數÷200。

2、起跳速度:該參數對應步進電機的起跳頻率。所謂起跳頻率是步進電機不經過加速，能夠直接啟動工作的最高頻率。合理地選取該參數能夠提高加工效率，并且能避開步進電機運動特性不好的低速段;但是如果該參數選取大了，就會造成悶車，所以一定要留有余量。在電機的出廠參數中，一般包含起跳頻率參數。但是在機床裝配好后，該值可能發生變化，一般要下降，特別是在做帶負載運動時。所以，該設定參數最好是在參考電機出廠參數后，再實際測量決定。

3、單軸加速度:用以描述單個進給軸的加減速能力，單位是毫米/秒平方。這個指標由機床的物理特性決定，如運動部分的質量、進給電機的扭矩、阻力、切削負載等。這個值越大，在運動過程中花在加減速過程中的時間越小，效率越高。通常，對于步進電機，該值在100 ~ 500之間，對于伺服電機系統，可以設置在400 ~ 1200之間。在設置過程中，開始設置小一點，運行一段時間，重復做各種典型運動，注意觀察，如果沒有異常情況，然后逐步增加。如果發現異常情況，則降低該值，并留50%~100%的保險余量。

4、彎道加速度:用以描述多個進給軸聯動時的加減速能力，單位是毫米/秒平方。它決定了機床在做圓弧運動時的最高速度。這個值越大，機床在做圓弧運動時的最大允許速度越大。通常，對于步進電機系統組成的機床，該值在400~1000之間，對于伺服電機系統，可以設置在1000 ~ 5000之間。如果是重型機床，該值要小一些。在設置過程中，開始設置小一點，運行一段時間，重復做各種典型聯動運動，注意觀察，如果沒有異常情況，然后逐步增加。如果發現異常情況，則降低該值，并留50%~100%的保險余量。

通常考慮到步進電機的驅動能力、機械裝配的摩擦、機械部件的承受能力，可以在廠商參數中修改各個軸的最大速度，對機床用戶實際使用時的三個軸最大速度予以限制，。

5、根據三個軸零點傳感器的安裝位置，設置廠商參數中的回機械原點參數。當設置正確后，可運行"操作"菜單中的"回機械原點"。先單軸回，如果運動方向正確則繼續回，否則需停止，重新設置設置廠商參數中的回機械原點方向，直至所有軸都可回機械原點。

6、設置自動加油參數(設置得小一些，如5秒加一次油)，觀察自動加油是否正確，如果正確，則將自動加油參數設置到實際需要的參數。

7、校驗電子齒輪和脈沖當量的設定值是否匹配。可以在機床的任意一根軸上做個標記，在軟件中把該點坐標設為工作零點，用直接輸入指令、點動或手輪等工作方式使該軸走固定距離，用游標卡尺測量實際距離與軟件中坐標顯示距離是否相附。

8、測定有無丟脈沖。您可以用直觀的方法:用一把尖刀在工件毛坯上點一個點，把該點設為工作原點，抬高Z軸，然后把Z軸坐標設為0;反復使機床運動，比如空刀跑一個典型的加工程序(最好包含三軸聯動)，可在加工中暫停或停止，然后回工件原點，緩慢下降Z軸，看刀尖與毛坯上的點是否吻合。如有偏差，請檢查步進驅動器接收脈沖信號的類型，檢查端子板與驅動器間接線是否有誤。如果還出現悶車或丟步，按10、11、12步調整加速度等參數。

五、步進電機概述

步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器

雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。

步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅 動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角）。您可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來 控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

六、步進電機的主要特點

1)一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。

2)步進電機外表允許的最高溫度。

步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至 于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以 上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

3)步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。

步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。

4)步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。

步進電機有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠 正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖 頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。

5 )步進電機必須加驅動才可以運轉， 驅動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候， 步進電機靜止， 如果加入適當的脈沖信號，就會以一定的角度（稱為步角）轉動。轉動的速度和脈沖的頻率成正比。

6)三相步進電機的步進角度為7.5 度，一圈360度， 需要48個脈沖完成。

7)步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優越特性。

8)改變脈沖的順序，可以方便的改變轉動的方向。因此，目前打印機，繪圖儀，機器人，等等設備都以步進電機為動力核心。

七、步進電機驅動器的特點

1）構成步進電機驅動器系統的專用集成電路：

A、脈沖分配器集成電路：如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。

B、包含脈沖分配器和電流斬波的控制器集成電路：如SGS公司的L297、L6506等。

C、只含功率驅動（或包含電流控制、保護電路）的驅動器集成電路：如日本新電元工業公司的MTD1110（四相斬波驅動）和MTD2001（兩相、H橋、斬波驅動）。

D、將脈沖分配器、功率驅動、電流控制和保護電路都包括在內的驅動控制器集成電路，如東芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。

2）“細分驅動”概述：將“電機固有步距角”細分成若干小步的驅動方法，稱為細分驅動，細分是通過驅動器精確控制步進電機的相電流實現的，與電機本 身無關。其原理是，讓定子通電相電流并不一次升到位，而斷電相電流并不一次降為0（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級近似階梯波），則定子繞組電流所 產生的磁場合力，會使轉子有N個新的平衡位置（形成N個步距角）。

八、步進電機分類

步進電機分三種：永磁式（PM） 、反應式（VR）和混合式（HB）。永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反應式步進一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大，在歐美等發達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優點，分為兩相和五相，兩相步進角一 般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度，這種步進電機的應用最為廣泛。

1）、步進電機的優缺點

1． 電機旋轉的角度正比于脈沖數；

2． 電機停轉的時候具有最大的轉矩（當繞組激磁時）；

3． 由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復性；

4． 優秀的起停和反轉響應；

5． 由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命；

6． 電機的響應僅由數字輸入脈沖確定，因而可以采用開環控制，這使得電機的結構可以比較簡單而且控制成本；

7． 僅僅將負載直接連接到電機的轉軸上也可以極低速的同步旋轉。

8． 由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉速范圍。

九、步進電機的故障診斷與分析處理

（1）常見故障原因

1)驅動步進電機的脈沖頻率太高，使步進電動機不能響應，發生失步或堵轉。

2)驅動電源不佳而造成步進電機失步。

3)步進電機控制及驅動電路常見的故障有停轉、擺動和不能緊鎖。

4)工作臺負載過重能造成步進電機失步甚至停轉。

5)步進電機本身問題或繞組燒壞造成失步或停轉。

（2）典型故障分析與處理

起動和運行速度慢,影響系統同步

1)步進電動機檢修時,常要將定子各相控制繞組中串聯的小電阻摘下,進行繞組檢測和修理,檢修后未再接入串聯電阻,有時小電阻損壞或失效未更換,造成難起動,運行速度減慢。小電阻失效或未接入,則回路時間常數加大,使脈沖電流上升沿和下降沿由陡變為平坦,惡化了頻率特性,也即惡化了步進電動機運行特性。所以,當步進電動機修完后,一定要接入小電阻;檢修過程也必須用萬用表檢測小電阻有無斷路、短路或擊穿故障,如有則應同時更換合格的同規格小電阻,不要使之失效仍接入線路,不然影響抑制繞組中電感,使系統不同步,又為查找故障增加麻煩。

2)定轉子氣隙不均,使定轉子相擦,造成起動困難或運行速度減慢。由于氣隙不均造成定轉子相擦,加大了步進電動機靜態力矩,阻力加大使動態特性變壞,導致起動和運行速度減慢。當發生此類故障時,應仔細檢查定轉子相擦的原因。根據造成的具體原因,采取有效措施,排除故障,使氣隙均勻。

①檢查中如發現因軸承損壞或端蓋止口與定子外殼不同心所至,應更換新的合格軸承,及新配端蓋,新端蓋止口車削要按外殼止口公差尺寸配車。

②如檢查出屬轉軸變彎,可采取調直方法調直彎曲端或更換新軸。

③測量轉子外徑如發現橢圓度超差,將轉子進行精車一刀或磨削加工,消除不圓度。應注意車削或磨削加工時,加工量不宜過大,僅需將橢圓大直徑車去或磨去,否則氣隙加大,會導致電機其它性能變壞。

（2）步進電動機運行中失步

當步進電動機改變負載運行時,如帶大慣量負載則產生振蕩,造成電機在某一運行頻率下,起動丟步或停轉滑步。造成步進電動機運行中失步。為了消除大慣性負載引起失步,可以采用機械阻尼的方法,用以消除或吸收振蕩能量;也可以通過加大負載的摩擦力矩的方法,從而改善運行特性,消除失步。因為步進電動機受控于電脈沖而產生步進運動,采取如上措施能使電脈沖正常,不受干擾,從而消除電機運行中失步。

另一種失步可能是原采用雙電源供電的而改為單電源供電,又未采取相應補救措施,使起動頻率和運行頻率降低,矩頻特性惡化而失步。當是此種原因所至,應重新恢復雙電源供電。有些使用單位或部門,為簡化電路采用單電源供電造成電動機運行失步,這種做法不當,要知道采用雙電源是為了提高起動和運行兩種頻率,改善矩頻特性,從而改善了輸入步進電動機繞組中脈沖電流的上升沿和下降沿。用單電源供電,脈沖穩定電流得不到維持,步進電動機功率相應減小,所以在驅動中相當于容量減小而過載,效率降低而失步。采用雙電源,用高低兩套電路,即在步進電動機繞組脈沖電流通入瞬間,對其施以高壓,強迫電流上升加速;池電流達到一定值后,再改施以低壓,使電機正常運行。這種措施不僅使驅動電源容量大大減小,同時也提高了運行效率,改善運行特性,電動機不會失步運行。

（3）、控制繞組一相反繞,影響正常運行

當步進電動機不能正常運行時,除上述兩種原因影響速度或失步外,可能是定了控制繞組有一相反接。當一相繞組反接,相當于通電電流方向相反,電流相互抵消,電動機在此相內無脈沖電流,運行失常或根本不能運行。在通電情況下,檢測三相電流就能發現。檢測出反接相后,將該相繞組首末引出線對調,按正確接法接好,再通電運行進行電流的檢測。

（4）、開路故障

定子控制繞組開路故障,表現為一種是引線接頭處斷或焊接處全脫焊,或從某一匝中導線折斷;另一種情況是導線將斷未斷,如假焊、虛焊,或有裂紋。

此故障可采用檢測普通三相電動機斷路方法來檢測,較方便的是用萬用表電阻檔來檢測,當指針不動或電阻很大,說明所檢測一相繞組為開路。

修理方法是找到故障處,將斷開兩頭漆皮刮掉后擰緊再焊牢,包上絕緣。

（5）、短路故障

步進電動機定子控制繞組一般為單根導線繞制的多匝繞組,短路也是匝間短路。檢測方法主要分以下兩步:

目測法:凡短路的繞組因短路電流大而過熱,繞組導線絕緣層有發黑變脆的糊焦狀,凡有此種情況的為故障相;

用在通電運行狀況下,測量各相電流,凡電流大的相為故障相。

故障相找到后,如果短路在端部外層,采用加熱繞組后,輕輕撬起短路匝,用薄絕緣紙墊好,再壓實,線圈局部加熱,再刷上1032號絕緣漆后烘于即可;如短路嚴重不能局部修理,只有重繞線圈換上。

（6）、擊穿故障

擊穿故障的繞組可目測出,也可用兆歐表搖測其絕緣電阻,一般擊穿后繞組將接地,檢測相絕緣電阻為零者,說明即擊穿又接地。

（7）、電源裝置故障使步進電動機不能運行

功率放大失靈,門電路中電子開關損壞及計數器失靈是常發生的。可采用萬用表及示波器等儀表,對照線路逐段檢測。如測出放大程序邏輯部分無信號或信號弱,說明功率驅動器有毛病,對其應進一步檢測和排除故障至有正常信號;當電子開關未在起動位置,門電路就開通,說明起動開關已經損壞,只有更換合格的開關;如反饋信號沒有,即反饋沒有電壓值,說明反饋環節有故障,應檢測脈沖數選器及整形反相環節等,找出毛病調整至有正常反饋電壓為止。當發現電動機通電順序不對,不符合設定順序,說明環形分配器失靈,因它的級數應等于電動機的相數,在此情況下,它才按規定邏輯給電動機各相繞組依次通電,使之順序轉或逆轉。總之,對電源裝置應經常檢測和調試,防止故障出現,影響電動機正常運行。

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