簡介
現(xiàn)代社會分工日益細化。不論企業(yè)還是用戶,只有專注于最擅長的工作才能使利益最大化。步進電機的用戶多數(shù)不研究電機的控制和優(yōu)化，而是將其應(yīng)用于某個場合。基于這點，國外開始盛行一體化步進系統(tǒng)，即將步進電機、反饋裝置、驅(qū)動放大器、運動控制器組合成一個整體。其優(yōu)勢為：體積小、故障率低、無需匹配電機和驅(qū)動控制器，使用簡單，系統(tǒng)設(shè)計和維護方便，大大減少產(chǎn)品開發(fā)時間。
然而國外的一體化步進系統(tǒng)售價高昂，一般在200到1000美金一臺/軸。鑒于國內(nèi)實際情況，上海優(yōu)愛寶公司從美國引進了一體化步進系統(tǒng)全面技術(shù)，以適合中國的價格為國內(nèi)用戶提供一體化步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)。其低端產(chǎn)品比國內(nèi)同類售價略低，其高端產(chǎn)品國內(nèi)尚無類似，其價格是國外產(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。
針對目前步進電機用戶選型一體化步進電機微型驅(qū)動控制器的一些疑問特撰文如下。
一體化步進系統(tǒng)由步進電機、反饋系統(tǒng)（選配）、驅(qū)動放大器、運動控制器等子系統(tǒng)組成。如果把用戶上位機（PC、PLC等）比作公司老板，運動控制器就是高管，驅(qū)動放大器就是技工，步進電機就是機床。老板通過某種通訊方式/協(xié)議（電話、電報、電郵等）協(xié)調(diào)數(shù)個高管間合作。高管根據(jù)老板意思，作出詳細工作計劃通知手下的技工。技工根據(jù)高管的計劃開機床完成生產(chǎn)任務(wù)。同時由于該機床（步進電機）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(tǒng)），在發(fā)生質(zhì)量問題時通知高管和老板以決定對策。老板不會開機床，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(tǒng)領(lǐng)多個高管完成復(fù)雜的任務(wù)。高管+技工+機床（有時加上質(zhì)檢）就是一個一體化的步進電機系統(tǒng)，而用戶則是老板。以下對各子系統(tǒng)選型時的基本考量分別作簡單介紹。
步進電機
步進電機能將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓�位移。在額定功率范圍內(nèi)，電機的轉(zhuǎn)速只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，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(lǐng)域用步進電機來控制變得較為簡單。步進電機分三種，目前主要廣泛應(yīng)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(shù)（均和電機一同提供）：
1） 步距角： 收到一個步進脈沖后電機轉(zhuǎn)動的角度。實際步距角和驅(qū)動器的細分數(shù)有關(guān)。一般步進電機的精度為步距角的3-5%，不累積。
2） 相數(shù)： 電機內(nèi)部的線圈組數(shù)。相數(shù)不同，步距角不同。如使用細分驅(qū)動器，則‘相數(shù)’沒有意義：改變細分數(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，外力迫使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動所需的力矩。保持轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于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(zhuǎn)矩是衡量步進電機最重要的參數(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)。但過份采用減小氣隙，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(fā)熱及機械噪音。保持轉(zhuǎn)矩的選型確定如下：
步進電機的動態(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(jù)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，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，保持轉(zhuǎn)矩應(yīng)為摩擦負載的2-3倍內(nèi)好，保持轉(zhuǎn)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(xiàn)各項額定廠方參數(shù)時的每相（每個線圈）電流。實驗證明高于和低于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。
其他一些值得注意的事項還有：
低速運轉(zhuǎn)的振動和噪聲。從本質(zhì)上說，每一脈沖都是對電機系統(tǒng)的激勵。當激勵頻率接近電機的自振頻率時，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為1圈/秒，2圈/秒時震動最大。可采用改變減速比，細分驅(qū)動器等方法減緩。
選擇電源時，電壓通常根據(jù)電機的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快時選較高電壓。電流一般根據(jù)驅(qū)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(guān)電源取相電流 的1.5～2倍。
脫機時電機電流被切斷，轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機狀態(tài)）。如不斷電時要手動轉(zhuǎn)動電機軸，可使用脫機。
運行溫度過高會發(fā)生退磁現(xiàn)象導(dǎo)致力矩下降和失步。一般退磁點大于攝氏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沖頻率叫空載啟動頻率。如果高于該值，則不能正常啟動。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。
反饋系統(tǒng)
步進電機區(qū)別于其他所有電機的最大優(yōu)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)的加裝和信號采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(tǒng)。雖然這樣，優(yōu)愛寶的一些高端驅(qū)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(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換）和數(shù)字量輸入，并通過相應(yīng)的通訊協(xié)議發(fā)回給用戶。
驅(qū)動放大器
驅(qū)動放大器包括邏輯解釋模塊和電流放大模塊。驅(qū)動放大器接受步進脈沖，方向信號等輸入，輸出兩組（或幾組）受控電流到電機的兩個（或幾個）繞組。
邏輯解釋模塊根據(jù)用戶上位機發(fā)來的步進脈沖、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(zhuǎn)子步進旋轉(zhuǎn)。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(jié)構(gòu)確定的。當基本步距角不能滿足要求時，需要進行細分驅(qū)動。即每次輸入脈沖切換時，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)動基本步距角的一部分。細分功能由驅(qū)動器靠精確控制電機的相電流所產(chǎn)生，與電機無關(guān)。細分后，輸出電流變化相對平穩(wěn)，一定程度上提高輸出轉(zhuǎn)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(qū)動電路的質(zhì)量而定。對于質(zhì)量較好的電機，一般16~32細分以上已無明顯作用，但可略為降低振動和噪音。
電流放大模塊將邏輯信號放大成工作電流。較為常用的是由場效應(yīng)管組成的H橋電路。場效應(yīng)管可以是一種電子開關(guān)，就像電燈開關(guān)。使用這種通斷型開關(guān)來調(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。場效應(yīng)管開通時，電流上升。當電流剛超過設(shè)定時，場效應(yīng)管關(guān)斷，電流被砍，掉下來。掉到低于設(shè)定時，場效應(yīng)管再次打開，電流又上升。反復(fù)開關(guān)加上電機線圈電感作用，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)場效應(yīng)管的內(nèi)阻都在幾百毫歐姆。多數(shù)優(yōu)愛寶驅(qū)動器場效應(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)動器小很多。驅(qū)動器的表面溫度與發(fā)熱量和散熱面積相關(guān)。優(yōu)愛寶驅(qū)動器由于體積小（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。
運動控制器
運動控制器包括運動控制模塊和通訊模塊。運動控制器負責與用戶上位機交流，并按上位機要求，控制驅(qū)動放大器實現(xiàn)電機的受控運動。
為了讓用戶上位機能專注于高層次的控制工作，運動控制器必須具備足夠的智能。關(guān)于運動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。這兒介紹與用戶切身相關(guān)的通訊模塊。多數(shù)情況下，運動控制器負責實現(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/線，PC機/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)好比說話的語法結(jié)構(gòu)，白話文結(jié)構(gòu)，文言文結(jié)構(gòu)等，雙方聽懂就好。
目前工業(yè)常用協(xié)議有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總線協(xié)議以其高速（1百萬比特率）、長距離（1萬米）、高抗干擾的特點，被國外廣泛用于汽車（發(fā)動機、傳感和電控系統(tǒng)等）、自動化制造、交通管理等干擾信號嚴重，攸關(guān)人身安全的場合。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)議保證不會發(fā)生節(jié)點為爭奪總線而撞車。但是CAN協(xié)議相對復(fù)雜，不易掌握。
優(yōu)愛寶的RS232系列驅(qū)動器采用RS232與用戶機通訊。值得注意的是，在短距離內(nèi)，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總線系列驅(qū)動器將CAN總線和協(xié)議打包，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復(fù)雜的CAN總線運作方式，也能充分享用CAN總線的高速、長距離、高抗干擾、網(wǎng)絡(luò)功能、連線簡潔等優(yōu)越性能。所有指令均通過CAN總線（在工作地，如廠區(qū)、設(shè)備內(nèi)）傳遞，只在用戶上位機的進出口處將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)愛寶的CAN系列控制器和彩燈沒有區(qū)別：兩根信號線能拖掛高達100臺驅(qū)動器。
在指令結(jié)構(gòu)方面，傻瓜型的用戶界面使得用戶無需了解步進電機、驅(qū)動器以及CAN總線。指令結(jié)構(gòu)簡單直觀，高容錯。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；” 萬一輸入了錯誤指令，驅(qū)動器返回錯誤信息,錯誤指令不被執(zhí)行。
一言以蔽之，一體化步進系統(tǒng)的特點就是：老大（用戶機）發(fā)句話，小弟（一體化系統(tǒng)）全搞定，并隨時可向老大匯報。
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