步进电机控制器
一、步进电机驱动电路
在H桥电路的基础上设计步进电机驱动电路。采用分立元件MOS管搭建双H桥驱动电路是成熟的电机控制方案，电路不复杂，性能可靠，根据MOS管的不同工作电流的上限甚至可以高达数十安培，是理想的步进电机驱动器方案。MOS管H桥驱动电路有NMOS构型和PMOS+NMOS构型，全NMOS管H桥导通电阻更小，但上桥臂的NMOS管的导通电压高于电源电压，需要额外的升压电路，这样增加了电路的复杂程度和成本，我们采用PMOS+NMOS构型方式搭建双H桥步进电机驱动电路，电路更简洁，成本更低;且在这样的小电流工作场合，PMOS所增加的导通损耗可以忽略不计。驱动电路与MCU之间进行光电隔离，选用广泛使用的低成本光耦PC817。加入双输入四通道与门(74HC08D)，为驱动电路添加使能的功能，即只有在使能的前提下，四路控制信号才是有效的，使步进电机运行更安全稳定MOS管选用IRF5305和IRF1205，其参数为55V、110A，TO252贴片封装。步进电机驱动电路原理图如图所示。
二、电机参数测量电路
为了实时监测步进电机的运行状态是否正常，为驱动器设计了电机参数测量功能、通过实时监测电机的工作电压、工作相电流和机壳温度来实时获取电机的运行参数，保证电机运行安全稳定。
电机电流采样电阻选用康铜电阻，一端连接H桥下方，另一端接GND，其工作温度范围宽，温度系数仅为-40~40*10-6/℃，是高精度电流采样电阻的理想选择。电压电流信号调理电路采用LM324运放搭建，电压跟随后送入MCU，由MCU内置10Bit A/D转换器进行A/D采样。机壳温度监测选用数字温芯片DS18B20，将其贴至电机外壳表面，实时监测温度参数并送入MCU。电机参数检测电路原理图如图所示。在进行电路设计时，使用0欧姆电阻将模拟地(AGND)和数字地(GND)单点连接，以降低相互干扰，提高电路性能。
三、电源及MCU控制电路
系统中，驱动电路用输入电压供电，MCU和蓝牙模块需要额外的3.3V电压供电，传统的线性稳压器效率低、尺寸大且发热严重，因此使用DC-DC开关电源方式提供3.3V电压。开关稳压芯片选用MPS公司MP2359方案，其效率可高至92%、工作频率高达1.4MHZ，极高的工作频率决定其只需要小容量的输入电容、输出电容和功率电感即可正常工作。蓝牙选用HC- 05模块 ，串口自动发送。主控芯片为PIC24FJ64GA004，电源及主控芯片外围电路如图。
四、应用设置
1、设置步进驱动器的细分数，通常细分数越高，控制分辨率越高。但细分数太高则影响到最大进给速度。一般来说，对于模具机用户可考虑脉冲当量为0.001mm/P(此时最大进给速度为9600mm/min)或者0.0005mm/P(此时最大进给速度为4800mm/min);对于精度要求不高的用户，脉冲当量可设置的大一些，如0.002mm/P(此时最大进给速度为19200mm/min)或0.005mm/P(此时最大进给速度为48000mm/min)。对于两相步进电机，脉冲当量计算方法如下:脉冲当量=丝杠螺距÷细分数÷200。
2、起跳速度:该参数对应步进电机的起跳频率。所谓起跳频率是步进电机不经过加速，能够直接启动工作的最高频率。合理地选取该参数能够提高加工效率，并且能避开步进电机运动特性不好的低速段;但是如果该参数选取大了，就会造成闷车，所以一定要留有余量。在电机的出厂参数中，一般包含起跳频率参数。但是在机床装配好后，该值可能发生变化，一般要下降，特别是在做带负载运动时。所以，该设定参数最好是在参考电机出厂参数后，再实际测量决定。
3、单轴加速度:用以描述单个进给轴的加减速能力，单位是毫米/秒平方。这个指标由机床的物理特性决定，如运动部分的质量、进给电机的扭矩、阻力、切削负载等。这个值越大，在运动过程中花在加减速过程中的时间越小，效率越高。通常，对于步进电机，该值在100 ~ 500之间，对于伺服电机系统，可以设置在400 ~ 1200之间。在设置过程中，开始设置小一点，运行一段时间，重复做各种典型运动，注意观察，如果没有异常情况，然后逐步增加。如果发现异常情况，则降低该值，并留50%~100%的保险余量。
4、弯道加速度:用以描述多个进给轴联动时的加减速能力，单位是毫米/秒平方。它决定了机床在做圆弧运动时的最高速度。这个值越大，机床在做圆弧运动时的最大允许速度越大。通常，对于步进电机系统组成的机床，该值在400~1000之间，对于伺服电机系统，可以设置在1000 ~ 5000之间。如果是重型机床，该值要小一些。在设置过程中，开始设置小一点，运行一段时间，重复做各种典型联动运动，注意观察，如果没有异常情况，然后逐步增加。如果发现异常情况，则降低该值，并留50%~100%的保险余量。
通常考虑到步进电机的驱动能力、机械装配的摩擦、机械部件的承受能力，可以在厂商参数中修改各个轴的最大速度，对机床用户实际使用时的三个轴最大速度予以限制，。
5、根据三个轴零点传感器的安装位置，设置厂商参数中的回机械原点参数。当设置正确后，可运行"操作"菜单中的"回机械原点"。先单轴回，如果运动方向正确则继续回，否则需停止，重新设置设置厂商参数中的回机械原点方向，直至所有轴都可回机械原点。
6、设置自动加油参数(设置得小一些，如5秒加一次油)，观察自动加油是否正确，如果正确，则将自动加油参数设置到实际需要的参数。
7、校验电子齿轮和脉冲当量的设定值是否匹配。可以在机床的任意一根轴上做个标记，在软件中把该点坐标设为工作零点，用直接输入指令、点动或手轮等工作方式使该轴走固定距离，用游标卡尺测量实际距离与软件中坐标显示距离是否相附。
8、测定有无丢脉冲。您可以用直观的方法:用一把尖刀在工件毛坯上点一个点，把该点设为工作原点，抬高Z轴，然后把Z轴坐标设为0;反复使机床运动，比如空刀跑一个典型的加工程序(最好包含三轴联动)，可在加工中暂停或停止，然后回工件原点，缓慢下降Z轴，看刀尖与毛坯上的点是否吻合。如有偏差，请检查步进驱动器接收脉冲信号的类型，检查端子板与驱动器间接线是否有误。如果还出现闷车或丢步，按10、11、12步调整加速度等参数。
五、步进电机概述
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱 动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来 控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
六、步进电机的主要特点
1)一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
2)步进电机外表允许的最高温度。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至 于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以 上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3)步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
4)步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够 正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲 频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。
5 )步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机静止， 如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。
6)三相步进电机的步进角度为7.5 度，一圈360度， 需要48个脉冲完成。
7)步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。
8)改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。因此，目前打印机，绘图仪，机器人，等等设备都以步进电机为动力核心。
七、步进电机驱动器的特点
1）构成步进电机驱动器系统的专用集成电路：
A、脉冲分配器集成电路：如三洋公司的PMM8713、PMM8723、PMM8714等。
B、包含脉冲分配器和电流斩波的控制器集成电路：如SGS公司的L297、L6506等。
C、只含功率驱动（或包含电流控制、保护电路）的驱动器集成电路：如日本新电元工业公司的MTD1110（四相斩波驱动）和MTD2001（两相、H桥、斩波驱动）。
D、将脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路都包括在内的驱动控制器集成电路，如东芝公司的TB6560AHQ、MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。
2）“细分驱动”概述：将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的，与电机本 身无关。其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级近似阶梯波），则定子绕组电流所 产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角）。
八、步进电机分类
步进电机分三种：永磁式（PM） 、反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点，分为两相和五相，两相步进角一 般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度，这种步进电机的应用最为广泛。
1）、步进电机的优缺点
1． 电机旋转的角度正比于脉冲数；
2． 电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；
3． 由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；
4． 优秀的起停和反转响应；
5． 由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；
6． 电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本；
7． 仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。
8． 由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。
九、步进电机的故障诊断与分析处理
（1）常见故障原因
1)驱动步进电机的脉冲频率太高，使步进电动机不能响应，发生失步或堵转。
2)驱动电源不佳而造成步进电机失步。
3)步进电机控制及驱动电路常见的故障有停转、摆动和不能紧锁。
4)工作台负载过重能造成步进电机失步甚至停转。
5)步进电机本身问题或绕组烧坏造成失步或停转。
（2）典型故障分析与处理
起动和运行速度慢,影响系统同步
1)步进电动机检修时,常要将定子各相控制绕组中串联的小电阻摘下,进行绕组检测和修理,检修后未再接入串联电阻,有时小电阻损坏或失效未更换,造成难起动,运行速度减慢。小电阻失效或未接入,则回路时间常数加大,使脉冲电流上升沿和下降沿由陡变为平坦,恶化了频率特性,也即恶化了步进电动机运行特性。所以,当步进电动机修完后,一定要接入小电阻;检修过程也必须用万用表检测小电阻有无断路、短路或击穿故障,如有则应同时更换合格的同规格小电阻,不要使之失效仍接入线路,不然影响抑制绕组中电感,使系统不同步,又为查找故障增加麻烦。
2)定转子气隙不均,使定转子相擦,造成起动困难或运行速度减慢。由于气隙不均造成定转子相擦,加大了步进电动机静态力矩,阻力加大使动态特性变坏,导致起动和运行速度减慢。当发生此类故障时,应仔细检查定转子相擦的原因。根据造成的具体原因,采取有效措施,排除故障,使气隙均匀。
①检查中如发现因轴承损坏或端盖止口与定子外壳不同心所至,应更换新的合格轴承,及新配端盖,新端盖止口车削要按外壳止口公差尺寸配车。
②如检查出属转轴变弯,可采取调直方法调直弯曲端或更换新轴。
③测量转子外径如发现椭圆度超差,将转子进行精车一刀或磨削加工,消除不圆度。应注意车削或磨削加工时,加工量不宜过大,仅需将椭圆大直径车去或磨去,否则气隙加大,会导致电机其它性能变坏。
（2）步进电动机运行中失步
当步进电动机改变负载运行时,如带大惯量负载则产生振荡,造成电机在某一运行频率下,起动丢步或停转滑步。造成步进电动机运行中失步。为了消除大惯性负载引起失步,可以采用机械阻尼的方法,用以消除或吸收振荡能量;也可以通过加大负载的摩擦力矩的方法,从而改善运行特性,消除失步。因为步进电动机受控于电脉冲而产生步进运动,采取如上措施能使电脉冲正常,不受干扰,从而消除电机运行中失步。
另一种失步可能是原采用双电源供电的而改为单电源供电,又未采取相应补救措施,使起动频率和运行频率降低,矩频特性恶化而失步。当是此种原因所至,应重新恢复双电源供电。有些使用单位或部门,为简化电路采用单电源供电造成电动机运行失步,这种做法不当,要知道采用双电源是为了提高起动和运行两种频率,改善矩频特性,从而改善了输入步进电动机绕组中脉冲电流的上升沿和下降沿。用单电源供电,脉冲稳定电流得不到维持,步进电动机功率相应减小,所以在驱动中相当于容量减小而过载,效率降低而失步。采用双电源,用高低两套电路,即在步进电动机绕组脉冲电流通入瞬间,对其施以高压,强迫电流上升加速;池电流达到一定值后,再改施以低压,使电机正常运行。这种措施不仅使驱动电源容量大大减小,同时也提高了运行效率,改善运行特性,电动机不会失步运行。
（3）、控制绕组一相反绕,影响正常运行
当步进电动机不能正常运行时,除上述两种原因影响速度或失步外,可能是定了控制绕组有一相反接。当一相绕组反接,相当于通电电流方向相反,电流相互抵消,电动机在此相内无脉冲电流,运行失常或根本不能运行。在通电情况下,检测三相电流就能发现。检测出反接相后,将该相绕组首末引出线对调,按正确接法接好,再通电运行进行电流的检测。
（4）、开路故障
定子控制绕组开路故障,表现为一种是引线接头处断或焊接处全脱焊,或从某一匝中导线折断;另一种情况是导线将断未断,如假焊、虚焊,或有裂纹。
此故障可采用检测普通三相电动机断路方法来检测,较方便的是用万用表电阻档来检测,当指针不动或电阻很大,说明所检测一相绕组为开路。
修理方法是找到故障处,将断开两头漆皮刮掉后拧紧再焊牢,包上绝缘。
（5）、短路故障
步进电动机定子控制绕组一般为单根导线绕制的多匝绕组,短路也是匝间短路。检测方法主要分以下两步:
目测法:凡短路的绕组因短路电流大而过热,绕组导线绝缘层有发黑变脆的糊焦状,凡有此种情况的为故障相;
用在通电运行状况下,测量各相电流,凡电流大的相为故障相。
故障相找到后,如果短路在端部外层,采用加热绕组后,轻轻撬起短路匝,用薄绝缘纸垫好,再压实,线圈局部加热,再刷上1032号绝缘漆后烘于即可;如短路严重不能局部修理,只有重绕线圈换上。
（6）、击穿故障
击穿故障的绕组可目测出,也可用兆欧表摇测其绝缘电阻,一般击穿后绕组将接地,检测相绝缘电阻为零者,说明即击穿又接地。
（7）、电源装置故障使步进电动机不能运行
功率放大失灵,门电路中电子开关损坏及计数器失灵是常发生的。可采用万用表及示波器等仪表,对照线路逐段检测。如测出放大程序逻辑部分无信号或信号弱,说明功率驱动器有毛病,对其应进一步检测和排除故障至有正常信号;当电子开关未在起动位置,门电路就开通,说明起动开关已经损坏,只有更换合格的开关;如反馈信号没有,即反馈没有电压值,说明反馈环节有故障,应检测脉冲数选器及整形反相环节等,找出毛病调整至有正常反馈电压为止。当发现电动机通电顺序不对,不符合设定顺序,说明环形分配器失灵,因它的级数应等于电动机的相数,在此情况下,它才按规定逻辑给电动机各相绕组依次通电,使之顺序转或逆转。总之,对电源装置应经常检测和调试,防止故障出现,影响电动机正常运行。
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