一體化步進(jìn)電機微型驅動(dòng)控制器選型快速指南

簡(jiǎn)介
　　現代社會(huì )分工日益細化。不論企業(yè)還是用戶(hù)，只有專(zhuān)注于最擅長(cháng)的工作才能使利益最大化。步進(jìn)電機的用戶(hù)多數不研究電機的控制和優(yōu)化，而是將其應用于某個(gè)場(chǎng)合?；谶@點(diǎn)，國外開(kāi)始盛行一體化步進(jìn)系統，即將步進(jìn)電機、反饋裝置、驅動(dòng)放大器、運動(dòng)控制器組合成一個(gè)整體。其優(yōu)勢為：體積小、故障率低、無(wú)需匹配電機和驅動(dòng)控制器，使用簡(jiǎn)單，系統設計和維護方便，大大減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間。
　　然而國外的一體化步進(jìn)系統售價(jià)高昂，一般在200到1000美金一臺/軸。鑒于國內實(shí)際情況，上海優(yōu)愛(ài)寶公司從美國引進(jìn)了一體化步進(jìn)系統全面技術(shù)，以適合中國的價(jià)格為國內用戶(hù)提供一體化步進(jìn)電機驅動(dòng)控制系統。其低端產(chǎn)品比國內同類(lèi)售價(jià)略低，其高端產(chǎn)品國內尚無(wú)類(lèi)似，其價(jià)格是國外產(chǎn)品的1/10。關(guān)鍵元器件全部由美國合作公司在美國本土采購。
　　針對目前步進(jìn)電機用戶(hù)選型一體化步進(jìn)電機微型驅動(dòng)控制器的一些疑問(wèn)特撰文如下。
　　一體化步進(jìn)系統由步進(jìn)電機、反饋系統（選配）、驅動(dòng)放大器、運動(dòng)控制器等子系統組成。如果把用戶(hù)上位機（PC、PLC等）比作公司老板，運動(dòng)控制器就是高管，驅動(dòng)放大器就是技工，步進(jìn)電機就是機床。老板通過(guò)某種通訊方式/協(xié)議（電話(huà)、電報、電郵等）協(xié)調數個(gè)高管間合作。高管根據老板意思，作出詳細工作計劃通知手下的技工。技工根據高管的計劃開(kāi)機床完成生產(chǎn)任務(wù)。同時(shí)由于該機床（步進(jìn)電機）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），在發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題時(shí)通知高管和老板以決定對策。老板不會(huì )開(kāi)機床，也不懂生產(chǎn)，但是由于有高管和技工的幫助，老板照樣能統領(lǐng)多個(gè)高管完成復雜的任務(wù)。高管+技工+機床（有時(shí)加上質(zhì)檢）就是一個(gè)一體化的步進(jìn)電機系統，而用戶(hù)則是老板。以下對各子系統選型時(shí)的基本考量分別作簡(jiǎn)單介紹。
　　步進(jìn)電機
　　步進(jìn)電機能將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移。在額定功率范圍內，電機的轉速只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，加上步進(jìn)電機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)電機來(lái)控制變得較為簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機分三種，目前主要廣泛應用的是混合式步進(jìn)電機。選用步進(jìn)電機時(shí)，必須注意如下廠(chǎng)方參數（均和電機一同提供）：
　　1） 步距角： 收到一個(gè)步進(jìn)脈沖后電機轉動(dòng)的角度。實(shí)際步距角和驅動(dòng)器的細分數有關(guān)。一般步進(jìn)電機的精度為步距角的3-5%，不累積。
　　2） 相數： 電機內部的線(xiàn)圈組數。相數不同，步距角不同。如使用細分驅動(dòng)器，則‘相數’沒(méi)有意義：改變細分數就可改變步距角。
　　3） 保持轉矩：亦稱(chēng)為最大靜轉矩。指額定電流下轉速為零時(shí)，外力迫使轉子轉動(dòng)所需的力矩。保持轉矩與驅動(dòng)電壓及驅動(dòng)電源等無(wú)關(guān)。步進(jìn)電機在低速時(shí)的力矩接近保持轉矩。由于步進(jìn)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(jìn)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(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 )造成電機的發(fā)熱及機械噪音。保持轉矩的選型確定如下：
　　步進(jìn)電機的動(dòng)態(tài)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(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負載均要考慮，加速（斜坡）起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負載，恒速運行進(jìn)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(cháng)度便能確定下來(lái)。
　　4） 額定相電流：指電機實(shí)現各項額定廠(chǎng)方參數時(shí)的每相（每個(gè)線(xiàn)圈）電流。實(shí)驗證明高于和低于該電流均可造成電機工作時(shí)某些指標超標而同時(shí)另一些指標不達標。
其他一些值得注意的事項還有：
　　低速運轉的振動(dòng)和噪聲。從本質(zhì)上說(shuō)，每一脈沖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(shí)，轉子就會(huì )有大幅的震動(dòng)。因此振動(dòng)和噪聲是其固有的特點(diǎn)。一般轉速為1圈/秒，2圈/秒時(shí)震動(dòng)最大?？刹捎酶淖儨p速比，細分驅動(dòng)器等方法減緩。
　　選擇電源時(shí)，電壓通常根據電機的工作轉速和響應要求來(lái)選擇。轉速較高或響應要求較快時(shí)選較高電壓。電流一般根據驅動(dòng)器的輸出相電流峰值來(lái)確定。線(xiàn)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。
　　脫機時(shí)電機電流被切斷，轉子處于自由狀態(tài)（脫機狀態(tài)）。如不斷電時(shí)要手動(dòng)轉動(dòng)電機軸，可使用脫機。
　　運行溫度過(guò)高會(huì )發(fā)生退磁現象導致力矩下降和失步。一般退磁點(diǎn)大于攝氏130度，故電機表面攝氏80-90度屬正常。
　　電機沒(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)。在有負載的情況下，啟動(dòng)頻率應更低。

　　反饋系統
　　步進(jìn)電機區別于其他所有電機的最大優(yōu)點(diǎn)走步精準而且有力。如果工作過(guò)程是已知的，阻礙力矩是在電機能力范圍以?xún)鹊?，反饋系統并不需要。反饋系統的加裝和信號采集處理會(huì )迅速增加成本，且與步進(jìn)電機的特長(cháng)重疊，所以除非必須，一般不要反饋系統。雖然這樣，優(yōu)愛(ài)寶的一些高端驅動(dòng)控制器還是提供了幾個(gè)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，并通過(guò)相應的通訊協(xié)議發(fā)回給用戶(hù)。
　　驅動(dòng)放大器
　　驅動(dòng)放大器包括邏輯解釋模塊和電流放大模塊。驅動(dòng)放大器接受步進(jìn)脈沖，方向信號等輸入，輸出兩組（或幾組）受控電流到電機的兩個(gè)（或幾個(gè)）繞組。
　　邏輯解釋模塊根據用戶(hù)上位機發(fā)來(lái)的步進(jìn)脈沖、方向信號以及脫機信號等，使得各線(xiàn)圈（繞組）電流輪流切換，從而使電機轉子步進(jìn)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(mǎn)足要求時(shí)，需要進(jìn)行細分驅動(dòng)。即每次輸入脈沖切換時(shí)，不將電流全通或全斷，而只改變相應繞組電流的一部分，從而轉子只轉動(dòng)基本步距角的一部分。細分功能由驅動(dòng)器靠精確控制電機的相電流所產(chǎn)生，與電機無(wú)關(guān)。細分后，輸出電流變化相對平穩，一定程度上提高輸出轉矩，減弱電機的低頻振蕩，提高步距精度。具體的改善程度視細分程度和驅動(dòng)電路的質(zhì)量而定。對于質(zhì)量較好的電機，一般16~32細分以上已無(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放大成工作電流。較為常用的是由場(chǎng)效應管組成的H橋電路。場(chǎng)效應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)效應管開(kāi)通時(shí)，電流上升。當電流剛超過(guò)設定時(shí)，場(chǎng)效應管關(guān)斷，電流被砍，掉下來(lái)。掉到低于設定時(shí)，場(chǎng)效應管再次打開(kāi)，電流又上升。反復開(kāi)關(guān)加上電機線(xiàn)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(dòng)放大器發(fā)熱量（不是溫度）很大，有些很小。主要原因是多數場(chǎng)效應管的內阻都在幾百毫歐姆。多數優(yōu)愛(ài)寶驅動(dòng)器場(chǎng)效應管內阻都在10-30毫歐姆之間，所以發(fā)熱量較普通驅動(dòng)器小很多。驅動(dòng)器的表面溫度與發(fā)熱量和散熱面積相關(guān)。優(yōu)愛(ài)寶驅動(dòng)器由于體積?。ɑ鸩窈写笮。?，故而雖然發(fā)熱量很?。ㄒ话阈∮?-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上或機柜上以散熱。
　　運動(dòng)控制器
　　運動(dòng)控制器包括運動(dòng)控制模塊和通訊模塊。運動(dòng)控制器負責與用戶(hù)上位機交流，并按上位機要求，控制驅動(dòng)放大器實(shí)現電機的受控運動(dòng)。
　　為了讓用戶(hù)上位機能專(zhuān)注于高層次的控制工作，運動(dòng)控制器必須具備足夠的智能。關(guān)于運動(dòng)控制模塊的功能和原理涉及較為復雜的控制技術(shù)，此處從簡(jiǎn)。這兒介紹與用戶(hù)切身相關(guān)的通訊模塊。多數情況下，運動(dòng)控制器負責實(shí)現用戶(hù)指令。指令的傳遞涉及軟件（協(xié)議、指令結構）和硬件。硬件類(lèi)似前面例子中的電話(huà)機/線(xiàn)，PC機/網(wǎng)線(xiàn)等。協(xié)議（電話(huà)還是電郵）定了，硬件也就基本定了。指令結構好比說(shuō)話(huà)的語(yǔ)法結構，白話(huà)文結構，文言文結構等，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，傳輸距離較長(cháng)。CAN總線(xiàn)協(xié)議以其高速（1百萬(wàn)比特率）、長(cháng)距離（1萬(wàn)米）、高抗干擾的特點(diǎn)，被國外廣泛用于汽車(chē)（發(fā)動(dòng)機、傳感和電控系統等）、自動(dòng)化制造、交通管理等干擾信號嚴重，攸關(guān)人身安全的場(chǎng)合。CAN總線(xiàn)只需兩根導線(xiàn)即可組成網(wǎng)絡(luò )。其網(wǎng)絡(luò )結構類(lèi)似節日彩燈，從頭到尾總共兩根電源線(xiàn)卻掛幾百盞燈。CAN協(xié)議保證不會(huì )發(fā)生節點(diǎn)為爭奪總線(xiàn)而撞車(chē)。但是CAN協(xié)議相對復雜，不易掌握。
　　優(yōu)愛(ài)寶的RS232系列驅動(dòng)器采用RS232與用戶(hù)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總線(xiàn)系列驅動(dòng)器將CAN總線(xiàn)和協(xié)議打包，再以簡(jiǎn)單易用的RS232與用戶(hù)界面。因此用戶(hù)不必了解和處理紛繁復雜的CAN總線(xiàn)運作方式，也能充分享用CAN總線(xiàn)的高速、長(cháng)距離、高抗干擾、網(wǎng)絡(luò )功能、連線(xiàn)簡(jiǎn)潔等優(yōu)越性能。所有指令均通過(guò)CAN總線(xiàn)（在工作地，如廠(chǎng)區、設備內）傳遞，只在用戶(hù)上位機的進(jìn)出口處將CAN協(xié)議和RS232協(xié)議雙向翻譯/轉換。不算兩根電源線(xiàn)，優(yōu)愛(ài)寶的CAN系列控制器和彩燈沒(méi)有區別：兩根信號線(xiàn)能拖掛高達100臺驅動(dòng)器。
　　在指令結構方面，傻瓜型的用戶(hù)界面使得用戶(hù)無(wú)需了解步進(jìn)電機、驅動(dòng)器以及CAN總線(xiàn)。指令結構簡(jiǎn)單直觀(guān)，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%$content$amp;*1000；” 萬(wàn)一輸入了錯誤指令，驅動(dòng)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(jìn)系統的特點(diǎn)就是：老大（用戶(hù)機）發(fā)句話(huà)，小弟（一體化系統）全搞定，并隨時(shí)可向老大匯報。