簡(jiǎn)介
現(xiàn)代社會(huì)分工日益細(xì)化。不論企業(yè)還是用戶,只有專注于最擅長(zhǎng)的工作才能使利益最大化。步進(jìn)電機(jī)的用戶多數(shù)不研究電機(jī)的控制和優(yōu)化，而是將其應(yīng)用于某個(gè)場(chǎng)合。基于這點(diǎn)，國(guó)外開(kāi)始盛行一體化步進(jìn)系統(tǒng)，即將步進(jìn)電機(jī)、反饋裝置、驅(qū)動(dòng)放大器、運(yùn)動(dòng)控制器組合成一個(gè)整體。其優(yōu)勢(shì)為：體積小、故障率低、無(wú)需匹配電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制器，使用簡(jiǎn)單，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)方便，大大減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間。
然而國(guó)外的一體化步進(jìn)系統(tǒng)售價(jià)高昂，一般在200到1000美金一臺(tái)/軸。鑒于國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，上海優(yōu)愛(ài)寶公司從美國(guó)引進(jìn)了一體化步進(jìn)系統(tǒng)全面技術(shù)，以適合中國(guó)的價(jià)格為國(guó)內(nèi)用戶提供一體化步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。其低端產(chǎn)品比國(guó)內(nèi)同類售價(jià)略低，其高端產(chǎn)品國(guó)內(nèi)尚無(wú)類似，其價(jià)格是國(guó)外產(chǎn)品的1/10。關(guān)鍵元器件全部由美國(guó)合作公司在美國(guó)本土采購(gòu)。
針對(duì)目前步進(jìn)電機(jī)用戶選型一體化步進(jìn)電機(jī)微型驅(qū)動(dòng)控制器的一些疑問(wèn)特撰文如下。
一體化步進(jìn)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、反饋系統(tǒng)（選配）、驅(qū)動(dòng)放大器、運(yùn)動(dòng)控制器等子系統(tǒng)組成。如果把用戶上位機(jī)（PC、PLC等）比作公司老板，運(yùn)動(dòng)控制器就是高管，驅(qū)動(dòng)放大器就是技工，步進(jìn)電機(jī)就是機(jī)床。老板通過(guò)某種通訊方式/協(xié)議（電話、電報(bào)、電郵等）協(xié)調(diào)數(shù)個(gè)高管間合作。高管根據(jù)老板意思，作出詳細(xì)工作計(jì)劃通知手下的技工。技工根據(jù)高管的計(jì)劃開(kāi)機(jī)床完成生產(chǎn)任務(wù)。同時(shí)由于該機(jī)床（步進(jìn)電機(jī)）質(zhì)量很好，一般不出次品。但是為保證質(zhì)量，可以增加質(zhì)檢人員（即反饋系統(tǒng)），在發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題時(shí)通知高管和老板以決定對(duì)策。老板不會(huì)開(kāi)機(jī)床，也不懂生產(chǎn)，但是由于有高管和技工的幫助，老板照樣能統(tǒng)領(lǐng)多個(gè)高管完成復(fù)雜的任務(wù)。高管+技工+機(jī)床（有時(shí)加上質(zhì)檢）就是一個(gè)一體化的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，而用戶則是老板。以下對(duì)各子系統(tǒng)選型時(shí)的基本考量分別作簡(jiǎn)單介紹。
步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)能將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓�位移。在額定功率范圍內(nèi)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，加上步進(jìn)電機(jī)累積誤差較小等特點(diǎn)，使得在速度、位置等領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變得較為簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)分三種，目前主要廣泛應(yīng)用的是混合式步進(jìn)電機(jī)。選用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，必須注意如下廠方參數(shù)（均和電機(jī)一同提供）：
1） 步距角： 收到一個(gè)步進(jìn)脈沖后電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。實(shí)際步距角和驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)有關(guān)。一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步距角的3-5%，不累積。
2） 相數(shù)： 電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)。相數(shù)不同，步距角不同。如使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則‘相數(shù)’沒(méi)有意義：改變細(xì)分?jǐn)?shù)就可改變步距角。
3） 保持轉(zhuǎn)矩：亦稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。指額定電流下轉(zhuǎn)速為零時(shí)，外力迫使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所需的力矩。保持轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩和功率隨速度增大而不斷變化，所以保持轉(zhuǎn)矩是衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。雖然保持轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)。但過(guò)份采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。保持轉(zhuǎn)矩的選型確定如下：
步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。階越（突然）起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速（斜坡）起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，保持轉(zhuǎn)矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，保持轉(zhuǎn)矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)。
4） 額定相電流：指電機(jī)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)額定廠方參數(shù)時(shí)的每相（每個(gè)線圈）電流。實(shí)驗(yàn)證明高于和低于該電流均可造成電機(jī)工作時(shí)某些指標(biāo)超標(biāo)而同時(shí)另一些指標(biāo)不達(dá)標(biāo)。
其他一些值得注意的事項(xiàng)還有：
低速運(yùn)轉(zhuǎn)的振動(dòng)和噪聲。從本質(zhì)上說(shuō)，每一脈沖都是對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的激勵(lì)。當(dāng)激勵(lì)頻率接近電機(jī)的自振頻率時(shí)，轉(zhuǎn)子就會(huì)有大幅的震動(dòng)。因此振動(dòng)和噪聲是其固有的特點(diǎn)。一般轉(zhuǎn)速為1圈/秒，2圈/秒時(shí)震動(dòng)最大。可采用改變減速比，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器等方法減緩。
選擇電源時(shí)，電壓通常根據(jù)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來(lái)選擇。轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快時(shí)選較高電壓。電流一般根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的輸出相電流峰值來(lái)確定。線性電源取相電流的1.1～1.3倍，開(kāi)關(guān)電源取相電流 的1.5～2倍。
脫機(jī)時(shí)電機(jī)電流被切斷，轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機(jī)狀態(tài)）。如不斷電時(shí)要手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸，可使用脫機(jī)。
運(yùn)行溫度過(guò)高會(huì)發(fā)生退磁現(xiàn)象導(dǎo)致力矩下降和失步。一般退磁點(diǎn)大于攝氏130度，故電機(jī)表面攝氏80-90度屬正常。
電機(jī)沒(méi)有載荷情況下能正常啟動(dòng)的最高脈沖頻率叫空載啟動(dòng)頻率。如果高于該值，則不能正常啟動(dòng)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。
反饋系統(tǒng)
步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他所有電機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)走步精準(zhǔn)而且有力。如果工作過(guò)程是已知的，阻礙力矩是在電機(jī)能力范圍以內(nèi)的，反饋系統(tǒng)并不需要。反饋系統(tǒng)的加裝和信號(hào)采集處理會(huì)迅速增加成本，且與步進(jìn)電機(jī)的特長(zhǎng)重疊，所以除非必須，一般不要反饋系統(tǒng)。雖然這樣，優(yōu)愛(ài)寶的一些高端驅(qū)動(dòng)控制器還是提供了幾個(gè)反饋信號(hào)接入口，可接受模擬量（內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換）和數(shù)字量輸入，并通過(guò)相應(yīng)的通訊協(xié)議發(fā)回給用戶。
驅(qū)動(dòng)放大器
驅(qū)動(dòng)放大器包括邏輯解釋模塊和電流放大模塊。驅(qū)動(dòng)放大器接受步進(jìn)脈沖，方向信號(hào)等輸入，輸出兩組（或幾組）受控電流到電機(jī)的兩個(gè)（或幾個(gè)）繞組。
邏輯解釋模塊根據(jù)用戶上位機(jī)發(fā)來(lái)的步進(jìn)脈沖、方向信號(hào)以及脫機(jī)信號(hào)等，使得各線圈（繞組）電流輪流切換，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)子步進(jìn)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)確定的。當(dāng)基本步距角不能滿足要求時(shí)，需要進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)。即每次輸入脈沖切換時(shí)，不將電流全通或全斷，而只改變相應(yīng)繞組電流的一部分，從而轉(zhuǎn)子只轉(zhuǎn)動(dòng)基本步距角的一部分。細(xì)分功能由驅(qū)動(dòng)器靠精確控制電機(jī)的相電流所產(chǎn)生，與電機(jī)無(wú)關(guān)。細(xì)分后，輸出電流變化相對(duì)平穩(wěn)，一定程度上提高輸出轉(zhuǎn)矩，減弱電機(jī)的低頻振蕩，提高步距精度。具體的改善程度視細(xì)分程度和驅(qū)動(dòng)電路的質(zhì)量而定。對(duì)于質(zhì)量較好的電機(jī)，一般16~32細(xì)分以上已無(wú)明顯作用，但可略為降低振動(dòng)和噪音。
電流放大模塊將邏輯信號(hào)放大成工作電流。較為常用的是由場(chǎng)效應(yīng)管組成的H橋電路。場(chǎng)效應(yīng)管可以是一種電子開(kāi)關(guān)，就像電燈開(kāi)關(guān)。使用這種通斷型開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)整電流的常用方式是斬波恒流。恒流就是恒定電流。斬波就是將高出需要電流波砍掉。例如往一個(gè)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。場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)通時(shí)，電流上升。當(dāng)電流剛超過(guò)設(shè)定時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷，電流被砍，掉下來(lái)。掉到低于設(shè)定時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管再次打開(kāi)，電流又上升。反復(fù)開(kāi)關(guān)加上電機(jī)線圈電感作用，電流就保持在設(shè)定值了。需要指出的是，有些驅(qū)動(dòng)放大器發(fā)熱量（不是溫度）很大，有些很小。主要原因是多數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管的內(nèi)阻都在幾百毫歐姆。多數(shù)優(yōu)愛(ài)寶驅(qū)動(dòng)器場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)阻都在10-30毫歐姆之間，所以發(fā)熱量較普通驅(qū)動(dòng)器小很多。驅(qū)動(dòng)器的表面溫度與發(fā)熱量和散熱面積相關(guān)。優(yōu)愛(ài)寶驅(qū)動(dòng)器由于體積小（火柴盒大小），故而雖然發(fā)熱量很小(一般小于1-2W)，但是在一些大電流（4-8A）的工作場(chǎng)合，仍需要將其安裝在提供的法蘭片上并固定到電機(jī)上或機(jī)柜上以散熱。
運(yùn)動(dòng)控制器
運(yùn)動(dòng)控制器包括運(yùn)動(dòng)控制模塊和通訊模塊。運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)與用戶上位機(jī)交流，并按上位機(jī)要求，控制驅(qū)動(dòng)放大器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的受控運(yùn)動(dòng)。
為了讓用戶上位機(jī)能專注于高層次的控制工作，運(yùn)動(dòng)控制器必須具備足夠的智能。關(guān)于運(yùn)動(dòng)控制模塊的功能和原理涉及較為復(fù)雜的控制技術(shù)，此處從簡(jiǎn)。這兒介紹與用戶切身相關(guān)的通訊模塊。多數(shù)情況下，運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)用戶指令。指令的傳遞涉及軟件（協(xié)議、指令結(jié)構(gòu)）和硬件。硬件類似前面例子中的電話機(jī)/線，PC機(jī)/網(wǎng)線等。協(xié)議（電話還是電郵）定了，硬件也就基本定了。指令結(jié)構(gòu)好比說(shuō)話的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)，白話文結(jié)構(gòu)，文言文結(jié)構(gòu)等，雙方聽(tīng)懂就好。
目前工業(yè)常用協(xié)議有RS232，RS485，CAN 等。RS232最簡(jiǎn)單，但抗干擾差，傳輸距離短。RS485和RS232差不多簡(jiǎn)單，抗干擾略強(qiáng)，傳輸距離較長(zhǎng)。CAN總線協(xié)議以其高速（1百萬(wàn)比特率）、長(zhǎng)距離（1萬(wàn)米）、高抗干擾的特點(diǎn)，被國(guó)外廣泛用于汽車（發(fā)動(dòng)機(jī)、傳感和電控系統(tǒng)等）、自動(dòng)化制造、交通管理等干擾信號(hào)嚴(yán)重，攸關(guān)人身安全的場(chǎng)合。CAN總線只需兩根導(dǎo)線即可組成網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類似節(jié)日彩燈，從頭到尾總共兩根電源線卻掛幾百盞燈。CAN協(xié)議保證不會(huì)發(fā)生節(jié)點(diǎn)為爭(zhēng)奪總線而撞車。但是CAN協(xié)議相對(duì)復(fù)雜，不易掌握。
優(yōu)愛(ài)寶的RS232系列驅(qū)動(dòng)器采用RS232與用戶機(jī)通訊。值得注意的是，在短距離內(nèi)，RS232也可達(dá)到很高的速度。如用合適的外圍器件，速度可達(dá)1M以上。而CAN總線系列驅(qū)動(dòng)器將CAN總線和協(xié)議打包，再以簡(jiǎn)單易用的RS232與用戶界面。因此用戶不必了解和處理紛繁復(fù)雜的CAN總線運(yùn)作方式，也能充分享用CAN總線的高速、長(zhǎng)距離、高抗干擾、網(wǎng)絡(luò)功能、連線簡(jiǎn)潔等優(yōu)越性能。所有指令均通過(guò)CAN總線（在工作地，如廠區(qū)、設(shè)備內(nèi)）傳遞，只在用戶上位機(jī)的進(jìn)出口處將CAN協(xié)議和RS232協(xié)議雙向翻譯/轉(zhuǎn)換。不算兩根電源線，優(yōu)愛(ài)寶的CAN系列控制器和彩燈沒(méi)有區(qū)別：兩根信號(hào)線能拖掛高達(dá)100臺(tái)驅(qū)動(dòng)器。
在指令結(jié)構(gòu)方面，傻瓜型的用戶界面使得用戶無(wú)需了解步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器以及CAN總線。指令結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單直觀，高容錯(cuò)。例如要執(zhí)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(wàn)一輸入了錯(cuò)誤指令，驅(qū)動(dòng)器返回錯(cuò)誤信息,錯(cuò)誤指令不被執(zhí)行。
一言以蔽之，一體化步進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)就是：老大（用戶機(jī)）發(fā)句話，小弟（一體化系統(tǒng)）全搞定，并隨時(shí)可向老大匯報(bào)。
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