步进电机常识

BF Bus Fault 总线故障——总线发生故障亮
SF System Fault 系统故障——模块硬件故障或者软件故障亮
RUN 运行——运行时亮
FRCE 强制——当强制变量时亮
STOP 停止——PLC处于停止状态时亮
1.步进电机为什么要配步进电机驱动器才能工作？
  步进电机作为一种控制精密位移及大范围调速专用的电机, 它的旋转是以自身固有的步距角角（转子与定子的机械结构所决定）一步一步运行的, 其特点是每旋转一步，步距角始终不变，能够保持精密准确的位置。所以无论旋转多少次，始终没有积累误差。由于控制方法简单，成本低廉，广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行需要有脉冲分配的功率型电子装置进行驱动, 这就是步进电机驱动器。它接收控制系统发出的脉冲信号，按照步进电机的结构特点，顺序分配脉冲，实现控制角位移、旋转速度、旋转方向、制动加载状态、自由状态。控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就能够驱动步进电机旋转一个步距角。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。角位移量与脉冲个数相关。步进电机停止旋转时，能够产生两种状态：制动加载能够产生最大或部分保持转矩（通常称为刹车保持，无需电磁制动或机械制动）及转子处于自由状态（能够被外部推力带动轻松旋转）。步进电机驱动器，必须与步进电机的型号相匹配。否则，将会损坏步进电机及驱动器。

2.什么是驱动器的细分？运行拍数与步距角是什么关系？
 “细分”是针对“步距角”而言的。没有细分状态，控制系统每发一个步进脉冲信号，步进电机就按照整步旋转一个特定的角度。步进电机的参数，都会给出一个步距角的值。如110BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这是步进电机固有步距角。通过步进电机驱动器设置的细分状态，步进电机将会按照细分的步距角旋转位移角度，从而实现更为精密的定位。以110BYG250A电机为例，列表说明：
电机固有步距角 运行拍数 细分数 电机运行时的真正步距角
0.9°/1.8° 8 2细分，即半步状态 0.9°
0.9°/1.8° 20 5细分状态 0.36°
0.9°/1.8° 40 10细分状态 0.18°
0.9°/1.8° 80 20细分状态 0.09°
0.9°/1.8° 160 40细分状态 0.045°

  可用看出，细分数就是指电机运行时的真正步距角是固有步距角(整步）的几分指一。例如，驱动器工作在10细分状态时，其步距角只有步进电机固有步距角的十分之一。当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，步进电机旋转1.8°；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了0.18° 。其实，细分就是步进电机按照微小的步距角旋转，也就是常说的微步距控制。当然，不同的场合，有不同的控制要求。并不是说，驱动步进电机必须要求细分。有些步进电机的步距角设计为3.6°、7.5°、15°、36°、180°，就是为了加大步距角，以适应特殊的工况条件。细分功能，只是是由驱动器采用精确控制步进电机的相电流方法，与步进电机的步距角无关，而与步进电机实际工作状态相关。
 运行拍数与驱动器细分的关系是：运行拍数指步进电机运行时每转一个齿距所需的脉冲数。例如：110BYG250A电机有50个齿，如果运行拍数设置为160，那么步进电机旋转一圈总共需要50×160＝8000步；对应步距角为360°÷8000＝0.045°。这就是驱动器设置为40细分状态。对于用户来说，没有必要去计算几步几拍，这是生产厂家配套的事情。用户只要知道：控制系统所发出的脉冲率数，除以细分数，就是步进电机整步运行的脉冲数。例如：步进电机的步距角为1.8°时，每秒钟200个脉冲，步进电机就能够在一秒钟内旋转一圈；当驱动器设置为40细分状态，步进电机每秒钟旋转一圈的脉冲数，就要给到8000个。

3.驱动器细分有什么好处？
  步进电机驱动器采用细分功能，能够消除步进电机的低频共振（震荡）现象，减少振动，降低工作噪音。随着驱动器技术的不断提高，当今，步进电机在低速工作时的噪音已经与直流电机相差无几。低频共振是步进电机（尤其是反应式电机）的固有特性，只有采用驱动器细分的办法，才能减轻或消除。
  利用细分方法，又能够提高步进电机的输出转矩。驱动器在细分状态下，提供给步进电机的电流显得“持续、强劲”，极大地减少步进电机旋转时的反向电动势。
  驱动器的细分功能，改善了步进电机工作的旋转位移分辨率。因此，步进电机的步距角，就没有必要做得更小。选择现有的常规标准步距角的步进电机，配置40细分以下的驱动器，就能够完成精密控制任务。由于步进电机步距角的原因，驱动器的细分数再加大，已经没有实际意义。通常，选择5、8、10、16、20细分，就能够适应各种工控要求。


4.步进电机的运行方向有几种方法调整？
平时，采用三种方法来该变步进电机的旋转方向。
一、 改变控制系统的方向信号，即高电平或低电平。
二、 对于有两路脉冲输入的驱动器，改变脉冲的顺序。
三、 调整步进电机其中一组线圈的两个线头位置，重新接入驱动器。 具体方法见下表：
电机接线方式 原来接线序列 换向后接线序列
两相四线 A，A'，B，B' A'，A，B，B'或者A，A'，B'，B
三相三线 A，B，C B，A，C或者A，C，B
三相六线 A，A'，B，B'，C，C' B，B'，A，A'，C，C'或者A，A'，C，C'，B，B'
五相五线 A，B，C，D，E E，D，C，B，A

　
5．四相六根和八根线的，如何使用两相四线驱动器？
  四相混合式步进电机，可以认为是二相混合式步进电机。多组线圈多个抽头，是为了适应不同工况条件而设计的。由于步进电机的线圈，与转速、转矩有着密切的关系。高速与低速工作的步进电机参数有所不同。通常，高速步进电机的电感要求小一点，低速工作时要求大一点的电感量。但是，这也不是绝对的。更多的实际应用，还考虑权衡其它众多相关因素。下面就几种步进电机的线圈绕组及出线，采用双极性驱动器，说明接线方法：
两相四线电机：1 和2为一相，分别接A和/A；3和4为一相，分别接B和/B。参考下图：

  四相六线电机，两种方法接线：
  一、1和2为一相，分别接A和/A；5和6为一相，分别接B和/B。
3和4不用，分别悬空（不要相连）。
二、1、3为一相，定义A、/A；4、6为一相，定义为B、/B。2和5分别悬空不用（不要相连）。
参考下图：

四相八线电机， 有两种接法。
并联接法：1和3相连=A，2和4相连=/A；5和7相连=B，6和8相连=/B。
联接法：1和4为一相，分别接A和/A；2、3连接好不用；5、8为一相，分别接B、/B，6、7连接好不用。
参考下图：

6.四相五线步进电机如何接驱动器？
上述四相六线、八线步进电机，都可在生产过程中，接为五线制，适应特殊需要。驱动器就要选择单极性驱动方式，例如HSM8672单极性步进电机驱动器。如上图：四相六线步进电机的2、5并联为一条线接公共电源；四相八线步进电机的2、3、6、7并联为一条线接公共电源。其它四条线分别接：A、/A、B、/B。


7.电机在低速运行时正常，为何稍高一点的频率略就会堵转？
  步进电机跑高速需要高电压支持。步进电机的工作电压，能够适应在较大范围内调整。只要将输入电压加高一点，就可以解决。但是，要特别注意驱动器的输入电压不能高于驱动器电源端标注的最高电压，否则，会烧毁驱动器。

8.接线全部完好，为何开机时步进电机在抖动而不能运行？
  步进电机只能够由数字信号控制运行的，当脉冲提供给驱动器时，在过于短的时间里，控制系统发出的脉冲数太多，也就是脉冲频率过高，将导致步进电机堵转。要解决这个问题，必须采用加减速的办法。就是说，在步进电机起步时，要给逐渐升高的脉冲频率，减速时的脉冲频率需要逐渐减低。这就是我们常说的“加减速”方法。

步进电机转速度，是根据输入的脉冲信号的变化来改变的。从理论上讲，给驱动器一个脉冲，步进电机就旋转一个步距角（细分时为一个细分步距角）。实际上，如果脉冲信号变化太快，步进电机由于内部的反向电动势的阻尼作用，转子与定子之间的磁反应将跟随不上电信号的变化，将导致堵转和丢步。所以步进电机在高速启动时，需要采用脉冲频率升速的方法，在停止时也要有降速过程，以保证实现步进电机精密定位控制。加速和减速的原理是一样的。下面就加速实例加以说明：
加速过程，是由基础频率（低于步进电机的直接起动最高频率）与跳变频率（逐渐加快的频率）组成加速曲线（降速过程反之）。跳变频率是指步进电机在基础频率上逐渐提高的频率，此频率不能太大，否则会产生堵转和丢步。加减速曲线一般为指数曲线或经过修调的指数曲线，当然也可采用直线或正弦曲线等。使用单片机或者PLC，都能够实现加减速控制。对于不同负载、不同转速，需要选择合适的基础频率与跳变频率，才能够达到最佳控制效果。指数曲线，在软件编程中，先算好时间常数存贮在计算机存贮器内，工作时指向选取。通常，完成步进电机的加减速时间为300ms以上。如果使用过于短的加减速时间，对绝大多数步进电机来说，很难实现步进电机的高速旋转。
 
 很多工控场合，要求步进电机运行平稳、振动小、噪音低、瞬间完成执行指令、高精度定位，都需要在编写软件时使用加减速方法。脉冲频率的不同时间常数，对于某个工控现场步进电机的运行，将会产生不同的控制效果。这就要求控制程序的编写人员，深入了解控制要求，明确运动目标，做到锦上添花，力求完美。
9.有些场合，步进电机为何还要闭环控制？
本来步进电机，使用开环控制，能够省去很多检测、反馈器件及控制电路，以简单的控制方法，价廉物美的优势，取代很多伺服电机的控制。尤其在低速控制（3000转/分钟以下）环境中，使用步进电机精密控制，有很好的性价比。就是采用闭环控制，其成本也要远低于伺服电机的控制系体成本。在某些工控环境中，负载有可能会随机发生过载现象，使用步进电机开环控制，就会发生丢步。此时，控制系统无法知道丢了多少步，继续按照既定目标工作，导致工作失误。这样，就要求在步进电机带动的主轴上安装旋转编码器，或者安装光电探头、磁敏探头、行程开关等器件，来识别位移物体是否到位，采集到的信号反馈到控制系体，适时修正工作参数，指令步进电机准确动作。
10.控制器与驱动器的连线是否要求屏蔽？
如果只有步进电机一种动力源的工控环境，通常不需要将信号线屏蔽。当步进电机周围，有其它动力源或能够产生干扰信号的高压电磁场，就必须将信号线屏蔽，以保证控制信号的指令，能够正确指令步进电机运动。只要控制信号线中有任何由外部干扰源产生的跳变信号，电流强度达到几个毫安，能够推动光耦合，就能够致使步进电机误动作。因此，为保证步进电机正确执行指令，最好将控制器与驱动器连线加以屏蔽。
11.远距离控制步进电机如何布线？
  步进电机与驱动器之间的连线、控制器与驱动器之间的连线，都允许延长。主要测算好电压衰减参数，补偿信号衰减，都能够实现远距离控制步进电机。
12.步进电机与驱动器之间的连线是否要求屏蔽？
  绝大多数的工控环境中，无需屏蔽。某些特殊的工控环境中，由于高压强磁场的干扰，还是要求采用屏蔽保护。
一般3相混合式电机的步距角为0.6°，电机的最高频率是20KHz。
接近开关是一种毋需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。接近开关是种开关型传感器（即无无触点开关），它即有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。产品有电感式、电容式、霍尔式、交、直流型。
 接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。接近开关具有使用寿命长、工作可靠、重复定位精度高、无机械磨损、无火花、无噪音、抗振能力强等特点。因此到目前为止，接近开关的应用范围日益广泛，其自身的发展和创新的速度也是极其迅速。
 2.接近开关的主要功能
 2.1检验距离
 检测电梯、升降设备的停止、起动、通过位置；检测车辆的位置，防止两物体相撞检测；检测工作机械的设定位置，移动机器或部件的极限位置；检测回转体的停止位置，阀门的开或关位置；检测气缸或液压缸内的活塞移动位置。
 2.2尺寸控制
 金属板冲剪的尺寸控制装置；自动选择、鉴别金属件长度；检测自动装卸时堆物高度；检测物品的长、宽、高和体积。
 2.3检测物体存在有否 检测生产包装线上有无产品包装箱；检测有无产品零件。
 2.4转速与速度控制
 控制传送带的速度；控制旋转机械的转速；与各种脉冲发生器一起控制转速和转数。
 2.5计数及控制
 检测生产线上流过的产品数；高速旋转轴或盘的转数计量；零部件计数。
 2.6检测异常
 检测瓶盖有无；产品合格与不合格判断；检测包装盒内的金属制品缺乏与否；区分金属与非金属零件；产品有无标牌检测；起重机危险区报警；安全扶梯自动启停。
 2.7计量控制
 产品或零件的自动计量；检测计量器、仪表的指针范围而控制数或流量；检测浮标控制测面高度，流量；检测不锈钢桶中的铁浮标；仪表量程上限或下限的控制；流量控制，水平面控制。
 2.8识别对象
 根据载体上的码识别是与非。
 2.9信息传送
 ASI（总线）连接设备上各个位置上的传感器在生产线（50-100米）中的数据往返传送等。
 3.接近开关分类及结构
 接近开关的作用是当某物体与接近开关接近并达到一定距离时，能发出信号。它不需要外力施加，是一种无触点式的主令电器。它的用途已远远超出行程开关所具备的行程控制及限位保护。 接近开关可用于高速计数、检测金属体的存在、测速、液位控制、检测零件尺寸以及用作无触点式按钮等。就目前应用较为广泛的接近开关按工作原理可以分为以下几种类型：
 高频振荡型：用以检测各种金属体
 电容型：用以检测各种导电或不导电的液体或固体
 光电型：用以检测所有不透光物质
 超声波型：用以检测不透过超声波的物质
 电磁感应型：用以检测导磁或不导磁金属
 按其外型形状可分为园柱型、方型、沟型、穿孔（贯通）型和分离型。园柱型比方型安装方便，但其检测特性相同，沟型的检测部位是在槽内侧，用于检测通过槽内的物体，贯通型在我国很少生产，而日本则应用较为普遍，可用于小螺钉或滚珠之类的小零件和浮标组装成水位检测装置等。
 接近开关按供电方式可分为；直流型和交流型，按输出型式又可分为直流两线制、直流三线制、直流四线制、交流两线制和交流三线制。
 3.1两线制接近开关
 两线制接近开关安装简单，接线方便；应用比较广泛，但却有残余电压和漏电流大的缺点。
 3.2直流三线式
  直流三线式接近开关的输出型有NPN和PNP两种，70年代日本产品绝大多数是NPN输出，西欧各国NPN、PNP两种输出型都有。PNP输出接近开关一般应用在PLC或计算机作为控制指令较多，NPN输出接近开关用于控制直流继电器较多，在实际应用中要根据控制电路的特性进行选择其输出形式。
 4.接近开关的选型和检测
 4.1.接近开关的选型
  对于不同的材质的检测体和不同的检测距离，应选用不同类型的接近开关，以使其在系统中具有高的性能价格比，为此在选型中应遵循以下原则：
  4.1.1.当检测体为金属材料时，应选用高频振荡型接近开关，该类型接近开关对铁镍、A3钢类检测体检测最灵敏。对铝、黄铜和不锈钢类检测体，其检测灵敏度就低。
  4.1.2.当检测体为非金属材料时，如；木材、纸张、塑料、玻璃和水等，应选用电容型接近开关。
  4.1.3.金属体和非金属要进行远距离检测和控制时，应选用光电型接近开关或超声波型接近开关。
  4.1.4.对于检测体为金属时，若检测灵敏度要求不高时，可选用价格低廉的磁性接近开关或霍尔式接近开关。
 4.2.接近开关技术指标检测
  4.2.1.动作距离测定；当动作片由正面靠近接近开关的感应面时，使接近开关动作的距离为接近开关的最大动作距离，测得的数据应在产品的参数范围内。
  4.2.2.释放距离的测定；当动作片由正面离开接近开关的感应面，开关由动作转为释放时，测定动作片离开感应面的最大距离。
  4.2.3.回差H的测定；最大动作距离和释放距离之差的绝对值。
  4.2.4.动作频率测定；用调速电机带动胶木圆盘，在圆盘上固定若干钢片，调整开关感应面和动作片间的距离，约为开关动作距离的80%左右，转动圆盘，依次使动作片靠近接近开关，在圆盘主轴上装有测速装置，开关输出信号经整形，接至数字频率计。此时启动电机，逐步提高转速，在转速与动作片的乘积与频率计数相等的条件下，可由频率计直接读出开关的动作频率。
 4.2.5.重复精度测定；将动作片固定在量具上，由开关动作距离的120%以外，从开关感应面正面靠近开关的动作区，运动速度控制在0.1mm/s上。当开关动作时，读出量具上的读数，然后退出动作区，使开关断开。如此重复10次，最后计算10次测量值的最大值和最小值与10次平均值之差，差值大者为重复精度误差.

接近开关是一种毋需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。接近开关是种开关型传感器（即无无触点开关），它即有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。产品有电感式、电容式、霍尔式、交、直流型。
接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。接近开关具有使用寿命长、工作可靠、重复定位精度高、无机械磨损、无火花、无噪音、抗振能力强等特点。因此到目前为止，接近开关的应用范围日益广泛，其自身的发展和创新的速度也是极其迅速。