2.3 步进电动机驱动器

与普通电动机相比，步进电动机需要由专门的驱动器来供电，驱动器和步进电动机是一个有机整体，步进电动机的运行性能是由步进电动机及其驱动器两者配合的综合表现。目前，市场上推出的步进电动机驱动器系列化、模块化。随着电子技术的高速发展，其工艺和性能不断升级和更新。国内外有不少的公司在从事步进电动机生产，品种齐全，价位也不尽相同，竞争很激烈。

2.3.1 驱动器系统组成

如图2-7所示，驱动器的基本部分包括变频信号源、脉冲分配器和脉冲功率放大器3个部分。

1. 变频信号源

变频信号源是一个脉冲频率由几赫兹到几万赫兹可以连续变化的信号发生器，一般由单片机或微处理器（CPU）产生，占空比为0.3～0.4，电动机转速越高，占空比越大。

2. 脉冲分配器

传统的脉冲分配器是由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路，其作用是将单路脉冲转换成多相循环变化的脉冲信号。随着连续脉冲信号的输入，各路输出电压轮流变高和变低。利用微处理器进行并行控制时可不用脉冲分配器。例如，两相感应式步进电动机，两相电动机的工作方式有两相四拍和两相八拍等。其中，两相四拍的具体分配为AB→；两相八拍的具体分配为AB→B→→AB。

3. 脉冲功率放大器

从环形分配器或微处理器输出的电流只有几毫安，不能直接驱动步进电动机。一般要放大到几到几十安培的电流，因而在环形分配器后面应装有功率放大电路，用放大信号去驱动步进电动机。其中，功率放大器是驱动系统中最为重要的部分。步进电动机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流。平均电流越大，电动机力矩越大，要达到平均电流就需要驱动系统尽量克服电动机的反电动势。驱动方式一般有下列几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。在不同的场合应采用不同的驱动方式。

2.3.2 驱动器参数说明

步进电动机驱动器品种繁多，两相四拍混合式步进电动机驱动器的电气特性参数如下。

1. 驱动器工作电压

驱动器的工作电压一般为直流电压24～60V，通常供应直流24V电压。

2. 驱动器相电流的大小调节

驱动器一般设有拨码开关，根据负载情况来设置拨码位置，从而确定电流调定值。

3. 每转步数

每转步数反映的是步进电动机的精度，细分数根据细分设定表上提供的数据来确定，在驱动器上通过拨码开关来设定，一般在系统频率允许的情况下，尽量选用高细分。表2-1给出了细分后步进电动机步距角，按下列方法计算：步距角=电动机固有步距角/细分数。

4. 输入脉冲方式

输入脉冲方式一般有单脉冲和双脉冲可选，由驱动器上的拨码开关来设定。其中，单脉冲模式下步进脉冲由脉冲端口接入，由方向端口的电平高低决定电动机的运转方向；双脉冲模式下，驱动器从脉冲端口接收正转脉冲，从方向端口接收反转脉冲。

2.3.3 驱动器使用方法

1. 使用步骤

①通过拨码开关设置细分数、电动机相电流、脉冲方式等。在脉冲允许的情况下，尽量用大的细分数；相电流设定为和电动机额定相电流相等的值，如果能拖动负载，可设定为小于电动机额定相电流的值。

②连接信号输入线、电动机线、电源线，确定连接紧固后上电，观察指示灯和电动机的运行情况。

2. 驱动器示意图

图2-8中的两相四拍步进电动机驱动器的标号释义如下。

①CP+：单脉冲模式，脉冲正输入端。

②CP−：单脉冲模式，脉冲负输入端。

③U/D+：单脉冲模式，方向电平的正输入端。

④U/D−：单脉冲模式，方向电平的负输入端。

⑤CW+：双脉冲模式，正脉冲正输入端。

⑥CW−：双脉冲模式，正脉冲负输入端。

⑦CCW+：双脉冲模式，负脉冲正输入端。

⑧CCW−：双脉冲模式，负脉冲负输入端。

⑨PD+：脱机信号正输入端。

⑩PD−：脱机信号负输入端。

⑪FREE+：电动机脱机控制正端。

⑫FREE−：电动机脱机控制负端。

⑬DIR：方向电平。

⑭OPTO：公共阳端，一般接直流+5V电压。

⑮ENA：电动机使能端，一般可以不接线。

⑯PWR：电源信号灯，灯亮则为正常工作。

⑰GND：公共地，连接直流电源负端。

⑱V+/VH：电动机工作电压，连接直流电源正。

⑲A+、A−：与电动机A相正负分别相连。

⑳B+、B−：与电动机B相正负分别相连。

3. 电动机与驱动器接线

下面列举一些两相步进电动机与驱动器之间的接线方式。图2-9给出了两相四拍、两相八拍和两相六拍步进电动机与驱动器的几种接线方式。

4. 输入信号及内部接口电路

如图2-10所示，驱动器内部的脉冲信号、方向信号及使能信号内部接口电路均采用光耦器对输入信号进行隔离。

5. 脉冲输入信号脉宽和电平方式

脉冲输入信号是最为重要的一路，驱动器每接收一个脉冲信号，就驱动步进电动机旋转一步距角，此信号频率和步进电动机的转速成正比，脉冲个数决定了步进电动机旋转的角度，控制系统通过脉冲信号CP就可以达到电动机调速和定位的目的。正脉冲方式输入的脉冲宽度一般要求不小于2μs，如图2-11所示。电平方式是设计控制系统时必须考虑的，对共阳接法的驱动器要求为负脉冲方式，即脉冲状态为低电平，无脉冲时为高电平。对共阴接法的驱动器要求为正脉冲方式，即脉冲状态为高电平，无脉冲时为低电平。

6. 方向信号作用

在电动机换向时应注意，一定要在电动机降速停止后再换向。换向信号需在前一个方向的最后一个脉冲结束后及下一个方向的第一个脉冲前发出（图2-12）。

2.3.4 驱动器连接电路

信号线和电动机动力线须采用屏蔽电缆，分别布线，要求距离大于30cm。电动机动力和电源线流过的电流较大，接线时要接牢。驱动器未接电动机时严禁通电。电源开关可以使用断路器、漏电保护开关或接触器，不可使用普通刀开关。驱动器电源由隔离变压器提供，并保证驱动器和步进电动机妥善接地（图2-13）。

控制器与步进电动机驱动器接线是重点，不同类别控制器与步进电动机驱动器接线都有较大的差别，电阻R的阻值根据控制器电压VCC来确定（图2-14）。

控制器一般为单片机、PLC、工控机等。图2-15给出了一个PLC与步进电动机驱动器连接实例，选用西门子S7-200 PLC，其CPU型号为224XP，步进电动机为两相四拍，步进电动机驱动器型号为DCM4010，高频继电器型号推荐为OMRON G6K-2F-RF。CPU 224XP发出高频脉冲控制高频继电器，高频继电器产生的高频脉冲控制步进电动机运转。