优化步进电动机驱动装置设计

步进电动机需要专门的驱动装置（驱动器）供电，驱动器和步进电动机是一个有机的整体，步进电动机的运行性能是电动机及其驱动器二者配合所反映的综合效果。

一般来说，每一台步进电动机都有其对应的驱动器。例如，与Kinco 三相步进电动机3S57Q-04056 配套的驱动器是Kinco 3M458 三相步进电动机驱动器，图2-9 和图2-10 分别是它的外观图和典型接线图。图中，驱动器可采用直流24～40 V 电源供电。YL-335B 中，电源由传输单元专用的开关稳压电源（DC 24V/8A）供给。输出电流和控制信号规格如下。

（1）输出相电流为3.0～5.8A，输出相电流通过拨动开关设定；驱动器采用自然风冷的冷却方式。

（2）控制信号输入电流为6～20 mA，控制信号的输入电路采用光耦隔离。传输单元PLC输出端使用DC 24 V 工作电源，所使用的限流电阻R1 为2 kΩ。

图2-9　Kinco 3M458 型驱动器外观图

图2-10　Kinco 3M458 驱动器的典型接线

由图2-10 可见，步进电动机驱动器的功能是接收来自控制器（PLC）的一定数量和频率的脉冲信号，以及电动机旋转方向的信号，为步进电动机输出三相功率脉冲信号。

步进电动机驱动器的组成包括脉冲分配器和脉冲放大器两部分，主要解决向步进电动机的各相绕组分配输出脉冲和功率放大两个问题。

脉冲分配器是一个数字逻辑单元，它接收来自控制器的脉冲信号和转向信号，把脉冲信号按一定的逻辑关系分配到每一相脉冲放大器上，使步进电动机按选定的运行方式工作。由于步进电动机各相绕组是按一定的通电顺序并不断循环来实现步进功能的，脉冲分配器也称为环形分配器。实现这种分配功能的方法有多种。例如，可以由双稳态触发器和门电路实现，也可由可编程逻辑器件实现。

脉冲放大器的功能是进行脉冲功率放大。因为从脉冲分配器能够输出的电流很小（毫安级），而步进电动机工作时需要的电流较大，所以需要进行功率放大。此外，输出的脉冲波形、幅度、波形前沿陡度等因素对步进电动机运行性能有重要的影响。3M458 驱动器采取以下措施，大大改善了步进电动机运行性能。

（1）内部驱动直流电压达40 V，能提供更好的高速性能。

（2）具有电动机静态锁紧状态下的自动半流功能，可大大降低电动机的发热量。而且，为使调试方便，驱动器还有一对脱机信号输入线FREE+和FREE-（见图2-10），当这一信号为“ON”时，驱动器将断开输入步进电动机的电源回路。YL-335B 没有使用这一信号，目的是使步进电动机在上电后，即使静止时也保持自动半流的锁紧状态。

（3）3M458 驱动器采用交流伺服驱动原理，把直流电压通过脉宽调制技术变为三路阶梯式正弦波形电流，如图2-11 所示。(www.xing528.com)

阶梯式正弦波形电流按固定时序分别流过三路绕组，其每个阶梯对应电动机转动一步。通过改变驱动器输出正弦电流的频率来改变电动机转速，而输出的阶梯数确定了每步转过的角度，当角度越小时，其阶梯数越多，细分就越大。从理论上说，此角度可以设得足够小，细分数可以足够大。3M458 型驱动器最高可达10 000 步/转的驱动细分功能，细分可以通过拨动开关设定。

图2-11　相位差120°的三相阶梯式正弦电流

细分驱动方式不仅可以减小步进电动机的步距角，提高分辨率，而且可以减少或消除低频振动，使电动机运行更加平稳均匀。

在3M458 驱动器的侧面连接端子中间有一个红色的8 位DIP 功能设定开关，可以用来设定驱动器的工作方式和工作参数，包括细分设置、静态电流设置和运行电流设置。图2-12 是该DIP 开关功能划分说明，表2-2 和表2-3 分别为细分设置表和电流设定表。

图2-12　3M458 DIP 开关功能划分说明

表2-2　细分设置表

表2-3　细分电流设置表

步进电动机传动组件的基本技术数据如下。

步距角为1.8°，即在无细分的条件下200 个脉冲电动机转一圈（通过驱动器设置细分精度最高可以达到10 000 个脉冲电动机转一圈）。

对于采用步进电动机作动力源的YL-335B 系统，出厂时驱动器细分设置为10 000 步/转。如前所述，直线运动组件的同步轮齿距为5 mm，共12 个齿，旋转一周使机械手产生的位移为60 mm。即每步机械手位移0.006 mm；电动机驱动电流设为5.2 A；静态锁定方式为静态半流。