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      認識步進驅動器


      認識步進驅動器,我們知道步進電機由定子(stator)和轉子(rotor)構成,定子繞組通電后產生感應磁場,感應磁場與轉子相互作用而使轉子轉過一定的角度。通過控制定子繞組周期性、交替得電,就能控制步進電機一步一步的向前運動。步進電機轉子線圈這種周期性的控制需要專門的控制器來實現,這個控制器就是今天我們要介紹的步進驅動器。

      本節課將介紹如下內容:
      1)什么是步進驅動器?
      2)步進驅動器的接線及設置;
      3)步進驅動器細分驅動設置;
      4)步進電機補充內容;

      1、什么是步進驅動器?
      步進驅動器是驅動步進電機運行的功率放大器,它能接收控制器(PLC/單片機等)發送來的控制信號并控制步進電機轉過相應的角度/步數。最常見的控制信號是脈沖信號,步進驅動器接收到一個有效脈沖就控制步進電機運行一步。具有細分功能的步進驅動器可以改變步進電機的固有步距角,達到更大的控制精度、降低振動及提高輸出轉矩;除了脈沖信號,具有總線通信功能的步進驅動器還能接收總線信號控制步進電機進行相應的動作。

      2、步進驅動器的接線及設置
      目前市場上有很多步進驅動器,各廠家的驅動器具有類似的接口,都有信號、電源、電機等接線端子;有輸出電流及細分驅動設置的撥碼開關。本節以雷賽科技(LeadShine)的DM542步進驅動器為例,介紹下步進驅動器的接線及設置。


      DM542是雷賽公司推出的兩相步進電機驅動器,采用脈沖方式進行控制,支持8檔位電流及16檔位細分驅動;輸入電壓范圍:DC 20V~50V,輸出峰值電流范圍:1.0~4.2A;下面這張圖是DM542的外觀圖:

      從圖片中可以看出,DM542步進驅動器包括控制信號端子、電源端子、電機接線端子、輸出電流設置和細分驅動設置撥碼開關等幾部分組成。

      2.1、控制信號端子
      控制信號端子與PLC、單片機或其它控制器相連接,用來接收控制器發出的脈沖、方向及使能控制信號。

      2.1.1、脈沖信號(Pulse)
      脈沖信號有兩個接線端子:PUL+和PUL-。"PUL+"連接脈沖信號正極,“PUL-”連接脈沖信號負極;脈沖信號以"PUL+"與"PUL-"的電壓差來衡量;撥碼開關SW13可設置脈沖的有效沿,默認(SW13=OFF)上升沿有效;

      2.1.2、方向信號(Direction)
      方向信號有兩個接線端子:DIR+和DIR-。"DIR+"連接方向信號正極,"DIR-"連接方向信號負極;步進電機的初始運行方向與電機繞組的接線有關,任何一組繞組互換(比如:A+和A-互換)都能改變電機的初始運行方向;電機在運行過程中的方向改變可以通過方向信號來控制,為了保證步進電機可靠換向,方向信號應早于脈沖信號至少5us建立;

      2.1.3、使能信號(Enable)
      使能信號用于使能或禁止驅動器輸出,有兩個接線端子:ENA+和ENA-。"ENA+"連接使能信號正極,"ENA-"連接使能信號負極;當"ENA+"信號接通時,驅動器將切斷步進電機各相電源而使其處于自由狀態,該狀態不響應脈沖信號;
      注:脈沖信號、方向信號和使能信號輸入電壓值的大小可通過滑動開關來設置,有DC 5V和DC 24V兩種選擇,出廠默認DC 24V;

      2.1.4、報警信號(Alarm)
      驅動器故障信號輸出,用于連接到PLC/控制器的輸入通道。出廠默認正常情況下ALM和COM是導通狀態,當驅動器報警時為截止狀態;可通過撥碼開關SW12設置;

      2.1.4、抱閘信號(Brake):步進電機的抱閘信號輸入;

      2.1.5、COM:報警信號和抱閘信號的公共端;

      2.2、電源接口
      電源接口包括2個接線端子:+Vdc、GND,其中:
      +Vdc:直流電源正極,電壓范圍:+20V~+50V,推薦+24V~+48V;
      GND:直流電源負極;

      2.3、電機接線端子
      電機接線端子包括:A+、A-、B+、B-,其中:
      A+和A-是步進電機的A相繞組的兩個接線柱;
      B+和B-是步進電機的B相繞組的兩個接線柱;
      下面這張圖是步進電機驅動器的接線圖:

      2.4、步進電機的電流設置
      DM542步進驅動器的中間有8個撥碼開關(SW1~SW8),其中SW1~SW3用來設置工作電流(動態電流);SW4用來設置靜止電流(靜態電流);SW5~SW8是細分設置(將在第3小節詳細介紹);

      2.4.1、工作電流設置
      通過設置步進驅動器的電流輸出撥碼開關,可以改變驅動器的輸出電流大小。DM542的SW1~SW3撥碼開關設置如下圖所示:

      當步進驅動器設置的輸出電流越大時,其連接的步進電機的輸出力矩就越大。但是電流過大會導致電機和驅動器發熱,嚴重時可能會損壞電機或驅動器。因此在設置步進驅動器的電流時建議遵循如下原則:
      四線電機:設置輸出電流等于或略小于電機的額定電流;
      六線電機高力矩模式:設置輸出電流等于電機單極性接法額定電流的50%;
      六線電機高速模式:設置輸出電流等于電機單極性接法額定電流的100%;
      舉個例子:假設要用DM542驅動雷賽42CM06步進電機,該電機的額定電流為2.5A,我們就采用輸出均值電流2.36A的檔位,設置SW1=OFF,SW2=ON,SW3=OFF;
      另外要注意:步進電機的運動類型及停留時間的長短,都會影響其發熱量。因此在實際使用中應視電機的發熱情況適當調節輸出電流的大小。原則上如果電機運行15~30分鐘后如果表面溫度低于40度,可適當增加電流設置值以增大輸出扭矩;但如果溫升太高(>70度),則應降低電流的設置值;

      2.4.2、靜止電流設置
      撥碼開關SW4可用于設置步進電機在靜止狀態時驅動器的輸出電流。默認情況下SW4=OFF,它表示驅動器在沒有接收到脈沖0.4秒后,將輸出電流改變為峰值電流的50%,這樣可以降低驅動器和電機的發熱;如果將SW4設置為ON,則電機在靜止狀態下,驅動器的輸出電流為其峰值電流的90%;

      3、細分驅動設置
      3.1、什么是細分驅動?
      步進電機在出廠時都標注了“固有步距角”。比如某電機的固有步距角為0.9度/1.8度,表示電機半步工作每次會轉過0.9度,整步1.8度。在很多精密控制的場合,固有步距角不能滿足控制精度的要求,人們希望能將一個固有步距角分很多步來走完。這種將固有步距角再分成很多步的驅動方法,稱為"細分驅動"。能實現細分驅動的驅動器,稱為"細分驅動器"。

      3.2、細分驅動的優點
      細分驅動將固有步距角平均分成幾份,減少了每步的步距角的大小,提高了步距均勻度,提高了控制精度;
      低頻振蕩是步進電機的固有特性,細分驅動提高了電機的轉動頻率,可以降低電機的振動;
      細分驅動可以有效減少轉矩波動,提高輸出轉矩;

      3.4、細分驅動的設置
      以DM542為例,該驅動器提供了四個撥碼開關(SW5~SW8)用來設置細分驅動,如下圖所示:

      假設我們要把電機設置為3200步/轉(即每轉一圈需要3200個脈沖信號),則撥碼開關設置如下:SW5=ON,SW6=ON,SW7=OFF,SW8=ON

      4、步進電機補充內容
      問:平時說的42系列、57系列步進電機具體代表什么意思?
      答:這里說的42系列、57系列,是指步進電機的機座號,也就是步進電機機座的尺寸。42系列步進電機表示該電機機座的尺寸為42cmx42cm。例如,下圖是雷賽42型步進電機機座截面圖:

      根據機座號區分,常見的步進電機有42系列、57系列、86系列、110系列等等;





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