一、步进电机结构和工作原理

       步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于控制脉冲信号的频率和脉冲数。脉冲数越多，电机转动的角度越大。脉冲的频率越高，电机转速越快，但不能超过最高频率，否则电机的力矩迅速减小，电机不转。

1.步进电机的种类

步进电机的种类非常多，分类方式比较多，具体如下表所示。

表4-1-1  步进电机的种类

2.步进电机的结构

目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。在反应式步进电机中，有轴向分相和径向分相两种。

轴向分相：电机各相绕组按轴向依次排列。

经向分相：电机各相绕组按圆周依次排列。

3.步进电机的工作原理

步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。当某相定子励磁后，它吸引转子，转子的齿与该相定子磁极上的齿对齐，转子转动一个角度，换一相得电时，转子又转动一个角度。如此每相不停地轮流通电，转子不停地转动。其工作过程如下图所示

图4-1-1  步进电机转动原理

上述介绍的是三相单三拍的工作过程，除此以外还有三相双三拍，三相六拍等工作方式。三相双三拍的得电方式同时两相绕组通电：如AB→BC →CA →AB →…。三相六拍的控制方式是：A →AB →B →BC →C →CA →A →…。电机的转速和相序切换的频率有关，切换得越快，电机转动的越快。电机转动得方向和相序有关。电机每拍转动的角度，称步距角θ。步距角和电机的结构有关，其表达式是 

其中m为定子绕组的相数。Z为转子得齿数。K为通电方式，m相时m拍时，k=1，m相2m拍时，k=2，如上例中，m=3，z=4，k=1，所以

二、步进驱动器原理、细分设置和PLC的连接。

1.步进驱动器的原理

从步进电机的转动原理可以得出，要使步进电机正常运行，必须安规律控制步进电机的每一相绕组得电。步进驱动器结构主要分2个部分，分别是环形分配器和功率放大器，环形分配器主要是接收外部控制器送来的脉冲信号和控制信号，按规律控制功率单元，从而使步进电机不同相的线圈得电切换，控制步进电机运转。步进驱动器接收外部的信号分别有方向信号（DIR)、脉冲信号(CP)、 脱机信号（FREE)。正常工作时，脉冲信号(CP)控制每一相线圈得电的时间，脉冲信号频率越高，不同线圈的电切换越快，电机转速越快，反之转速就越慢。方向信号（DIR)控制不同相线圈得电的顺序，从而控制电机的转向。正常停止时，总有一相线圈得电，电机的转子被锁住，起到定位功能，如果需要松开转子，可以使用脱机信号（FREE)，使电机线圈断电，转子就处于自由转动状态。具体步进驱动器原理如图4-1-2所示。

图4-1-2  步进驱动器工作原理

2.步进驱动器细分的设置

什么叫细分？为了提高步进电动机控制的精度，现在的步进驱动器都有细分的功能，所谓细分，就是通过驱动器中的控制把步距角减小。比如把步进驱动器设置成5细分，假设原来步距角1.8°，转动一周需要200个脉冲，那么设成5细分后，步距角就是0.36°。转动一周就需要1000个脉冲，所以大大提升了控制的精度。有的步进驱动直接就设置转动每周所需的脉冲数，具体设置如图4-1-3所示。步进驱动器上有DIP设置开关（图4-1-4），分别用于设置电流和细分（表4-1-2），驱动器侧面有细分、电流设置表（表4-1-3），具体设置根据标准规定设置。

图4-1-3：步进驱动细分和电流设置

图4-1-4：DIP开关设置表

表4-1-2  驱动器上DIP开关功能

表4-1-3  驱动器细分设置表

但是细分数不能设置的过大，因为在保证相同转速的情况下，细分设置越大，则要求控制脉冲的频率越高，但是驱动步进电机的脉冲频率不能太高，否则电机输出的力矩迅速减小。步进驱动脉冲的频率和输出转矩的关系如图4-1-5所示。

图4-1-5：步进驱动脉冲的频率和输出转矩的关系

3. 步进电机、步进驱动器和PLC间的连接

从步进电机及步进驱动原理可以看出，要使步进电机转动，需要上位机输出脉冲给驱动，输出脉冲的数量决定步进电机转动量，脉冲频率决定步进电机转动速度，一般情况下，我们是采用PLC或者相应的定位模块作为控制器，控制步进电机旋转，所以步进电机、步进驱动器和PLC间的连接如图4-1-6所示。其中X0、X1、X2作为控制步进电机的正转、反转、停止控制，Y0输出脉冲信号，Y1作为方向信号、Y2作为脱机信号（有的是使能信号）

图4-1-6  步进电机、步进驱动器和PLC间的连接

4. 应用案例分析

利用PLC作为上位机，控制步进电动机按一定的角度旋转。控制要求：利用PLC控制步进电动机顺时针转2周，停5秒，逆时针转1周，停2秒，如此循环进行，按下停止按钮，电机马上停止（电机的轴锁住）。按下脱机按钮，电机的轴松开。

系统接线：

X0－启动，X1－停止，X2－脱机

Y0－脉冲输出， Y1－控制方向，Y2－脱机控制。

细分和电流的设置。假设步进电机的步距角是1.8°，要求设置4细分，电机的额定电流是2.2A。所以DIP开关的设置如图4-1-7。

图4-1-7 DIP开关设置

编程分析：

（1）在没有设置细分时，步距角是1.8°，也即是200脉冲/转。设置成4细分后，则是800脉冲/转。

（2）控制程序可以用步进指令编写，用PLSY指令产生脉冲，脉冲有Y0输出，Y1控制方向，控制流程图如图4-1-8：其中M0、M1用于驱动PLSY指令。

图4-1-8：控制流程图

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