步进电机应用技巧

航宇救生装备有限公司机动部　崔　巍航宇救生装备有限公司技改部　孔雪峰



步进电机应用技巧

航宇救生装备有限公司机动部崔巍
航宇救生装备有限公司技改部孔雪峰

本文介绍了步进电机在选择、控制方面的应用技巧。

步进电机；脉冲；控制

步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的电磁装置。它具有以下特点：具有较好的定位精度；无漂移和无累积定位误差；能跟踪一定频率范围的脉冲列；成本低，其价格往往是相近规格伺服驱动系统价格的一半甚至更低。因而步进电机驱动系统在各种小型自动化设备及仪器方面应用广泛，主要应用于要求不高的定位及调速控制的场合。

1.步进电机矩频特性对其应用的影响

矩频特性是用来描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系曲线。矩频特性是步进电机最重要的特性之一，是选择步进电机的重要依据。如图1所示，为某品牌步进电机的矩频特性曲线。

图1　步进电机矩频特性曲线

（1）从矩频特性曲线看，步进电机运行达到一定转速后，电机输出转矩会迅速下降，这个特点决定了步进电机只适合于低、中速的应用场合。实际选择步进电机时，首先根据负载情况确定电机所需转速和扭矩，再结合电机矩频特性进行选择。如果转速需求较低，可配置合适速比的减速器以放大输出转矩。

（2）注意启动频率对步进电机启动的影响。一般的步进电机驱动器功能比较简单，没有加减速时间设置等功能。此时就需要对驱动脉冲列上升速率进行限制。比如用PLC脉冲输出端口控制步进电机运行时，在PLC程序设计时就要注意脉冲输出指令的加速时间设置，以防止加速时间过短导致步进电机启动困难。

（3）驱动器驱动电压、细分数以及电机接线方式对步进电机输出转矩有影响，但影响效果有限。

2.驱动系统上位控制装置选择

步进电机驱动系统包括步进电机及其驱动器，驱动器接收上位控制装置的指令驱动电机运转，同时可以将状态信息反馈给控制装置。图2是典型的步进电机驱动系统框图。

根据应用场合，上位控制装置可以选择PLC、步进电机控制器或运动控制卡。

图2　步进电机驱动系统框图

（1）在具体应用中，尽量选用PLC作为上位控制装置，因为PLC除了能控制步进电机外，还能完成顺序控制及更复杂的控制，其成本也不高。PLC能独立控制的电机数量有限，一般为2台，某些PLC专门用于位置控制，可以独立控制多达6台电机，最高输出频率可达200KHz。

（2）步进电机控制器作为上位控制装置，能控制较多数量的步进电机，应用较为灵活，但不具备PLC所具有的其它控制功能。

（3）在较复杂的应用场合，比如需要多轴插补时，则需要选择运动控制卡。运动控制卡必须在计算机环境中使用，成本较高。

3.步进电机控制

绝大多数步进电机驱动器只具有一种指令控制方式，即脉冲控制方式。上位控制装置产生一定频率和数量的脉冲列，步进电机驱动器接收到脉冲之后，驱动电机运转。

（1）驱动器一般可接收的脉冲形式有三种：一是两相正交脉冲，二是脉冲加方向，三是ccw脉冲和cw脉冲。实际应用中多采用脉冲加方向的形式。

（2）上位控制装置一般具有两种脉冲输出接口，一种是差分输出，抗干扰能力强，当需要远距离传输脉冲信号时，须采用此种输出接口。另一种是单端晶体管输出，大部分应用场合采用这种接口即可。

（3）PLC差分输出接口的电压一般为+5VDC，可以直接与驱动器的脉冲输入接口相连，但当采用单端晶体管输出接口时，由于其电压一般为+24VDC，与驱动器脉冲输入接口相连时，需要串接电阻用于限制驱动电流，电阻阻值的大小由驱动器决定，一般为1-2KΩ。也有一些驱动器在设计时考虑了兼容性，可通过开关切换以适应不同驱动电压。

（4）有些步进电机驱动器还具有通讯控制接口，这样上位控制装置可以通过通讯接口进行控制。

4.其它应用技巧

（1）在实际应用中需要控制多台步进电机以相同的速度同时运转时，可以利用控制装置的一路脉冲输出接口控制多台驱动器。笔者曾利用台达PLC的一路接口同时控制四台步进电机同时运行，效果良好。但要注意的是，在设计时需要核算驱动电流，总的驱动电流不能超过输出接口的额定电流。

（2）步进电机驱动器在功率较小时，一般外接直流电源，实际应用时最好使用线性电源，而不要选择开关电源。

（3）上位控制装置与驱动器的距离尽可能近，脉冲信号连接导线一定要使用双绞线，最好带屏蔽，屏蔽层良好接地，当采用单端驱动方式时，尤其要注意。因为单端驱动方式抗干扰能力弱，步进电机使用的环境往往有各种电磁干扰（比如变频器干扰等）。干扰可能会导致脉冲信号紊乱、丢失，严重时步进电机会无规律自转。

5.结束语

本文根据应用实践，总结并详细阐述了步进电机驱动系统设计时的一些技巧，希望对相关设计人员有所帮助。

［1］雷塞步进电机使用说明书［S］

［2］雷塞步进电机驱动器使用说明书［S］.

崔巍，男，高级工程师，主要从事电气技术工作。

孔雪峰，男，高级工程师，主要从事非标设备研制、数控维修技术方面的工作。