步進電機是一種開環(huán)控制元件，將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移。在非超載情況下，步進電機的轉(zhuǎn)速、停止位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，不受負(fù)載變化影響。當(dāng)給電機加一個脈沖信號時，電機轉(zhuǎn)過一個步距角。步進電機是一種典型的脈沖電動機，每輸入一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，輸出角位移或線位移與輸入脈沖數(shù)成正比。
工作原理
步進電機利用電磁鐵原理將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。步進電機不同于普通的直流電機和舵機，它是通過脈沖信號控制的，每收到一個脈沖信號，步進電機的輸出軸會按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為步距角（一步）。步進電機可以將一個完整的操作分成多步來完成，可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移量，脈沖數(shù)增加，位移量隨之增加，還可以通過脈沖的頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，脈沖的頻率增高，則角速度增大。
元件介紹
步進電機又稱為脈沖電機，基于最基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，其動作原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其原始模型是起源于1830年至1860年間。1870年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氫弧燈的電極輸送機構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進電機。二十世紀(jì)初，在電話自動交換機中廣泛使用了步進電機。由于西方資本主義列強爭奪殖民地，步進電機在缺乏交流電源的船舶和飛機等獨立系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。二十世紀(jì)五十年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進電機上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。到了八十年代后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電機的控制方式更加靈活多樣。
步進電機相對于其它控制用途電機的最大區(qū)別是，它接收數(shù)字控制信號（電脈沖信號）并轉(zhuǎn)化成與之相對應(yīng)的角位移或直線位移，它本身就是一個完成數(shù)字模式轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件。而且它可開環(huán)位置控制，輸入一個脈沖信號就得到一個規(guī)定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)相比，其成本明顯減低，幾乎不必進行系統(tǒng)調(diào)整。步進電機的角位移量與輸入的脈沖個數(shù)嚴(yán)格成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數(shù)量、頻率和電機繞組的相序，即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度和方向。
我國的步進電機在二十世紀(jì)七十年代初開始起步，七十年代中期至八十年代中期為成品發(fā)展階段，新品種和高性能電機不斷開發(fā)，目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是永磁材料、半導(dǎo)體技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，使步進電機在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
步進電機控制技術(shù)及發(fā)展概況
作為一種控制用的特種電機，步進電機無法直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動電源（步進電機驅(qū)動器）。在微電子技術(shù)，特別計算機技術(shù)發(fā)展以前，控制器（脈沖信號發(fā)生器）完全由硬件實現(xiàn)，控制系統(tǒng)采用單獨的元件或者集成電路組成控制回路，不僅調(diào)試安裝復(fù)雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設(shè)計電路。這就使得需要針對不同的電機開發(fā)不同的驅(qū)動器，開發(fā)難度和開發(fā)成本都很高，控制難度較大，限制了步進電機的推廣。
由于步進電機是一個把電脈沖轉(zhuǎn)換成離散的機械運動的裝置，具有很好的數(shù)據(jù)控制特性，因此，計算機成為步進電機的理想驅(qū)動源，隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，軟硬件結(jié)合的控制方式成為了主流，即通過程序產(chǎn)生控制脈沖，驅(qū)動硬件電路。單片機通過軟件來控制步進電機，更好地挖掘出了電機的潛力。因此，用單片機控制步進電機已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數(shù)字化的時代趨。
工作原理
步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。
雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。
目前，生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的一種開環(huán)線性執(zhí)行元件，具有無累積誤差、成本低、控制簡單特點。產(chǎn)品從相數(shù)上分有二、三、四、五相，從步距角上分有0.9°/1.8°、0.36°/0.72°，從規(guī)格上分有口42~φ130，從靜力矩上分有0.1N·M~40N·M。
以廣泛的感應(yīng)子式步進電機為例。敘述其基本工作原理。望能對廣大用戶在選型、使用、及整機改進時有所幫助。
二、感應(yīng)子式步進電機工作原理
（一）反應(yīng)式步進電機原理
由于反應(yīng)式步進電機工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進電機原理。
1、結(jié)構(gòu)：
電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。
0、1/3て、2/3て，（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A'與齒5相對齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖：
2、旋轉(zhuǎn)：
如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。
如B相通電，A，C相不通電時，齒2應(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。
如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。
如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て
這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/3て，向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉(zhuǎn)。
由此可見：電機的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。
不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用奧爾堡足球俱樂部B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。
不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m，2/m……(m-1)/m，1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。
3、力矩：
電機一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量Ф）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力
F與（dФ/dθ）成正比
S
其磁通量Ф=Br*S
Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積
F與L*D*Br成正比
L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑
Br=美國國家儀器/R
N·I為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。
力矩=力*半徑
力矩與電機有效體積*安匝數(shù)*磁密?成正比（只考慮線性狀態(tài)）
因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。
（二）感應(yīng)子式步進電機
1、特點：
感應(yīng)子式步進電機與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進電機相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。
感應(yīng)子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行。（必須采用雙極電壓驅(qū)動），而反應(yīng)式電機則不能如此。例如：四相，八相運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式。不難發(fā)現(xiàn)其條件為C=?，D=?.
一個二相電機的內(nèi)部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。
2、分類
感應(yīng)子式步進電機以相數(shù)可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號（電機外徑）可分為：42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進電機代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標(biāo)準(zhǔn)），而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。
3、步進電機的靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語
相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。
拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即?A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.
步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。
定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）
靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。
雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。
4、步進電機動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：
1、步距角精度：
步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。
2、失步：
電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。
3、失調(diào)角：
轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。
4、最大空載起動頻率：
電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。
5、最大空載的運行頻率：
電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。
6、運行矩頻特性：
電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。如下圖所示：
其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。
電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。
如下圖所示：
其中，曲線3電流最大、或電壓最高；曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負(fù)載的交點為負(fù)載的最大速度點。
要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機。
7、電機的共振點：
步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式步進電機的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負(fù)載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。
8、電機正反轉(zhuǎn)控制：
當(dāng)電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或(?)時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA-CA-BC-AB或(?)時為反轉(zhuǎn)。
三、驅(qū)動控制系統(tǒng)組成
使用、控制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如下：
1、脈沖信號的產(chǎn)生。
脈沖信號一般由單片機或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。
2、信號分配
我廠生產(chǎn)的感應(yīng)子式步進電機以二、四相電機為主，二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為，步距角為1.8度；二相八拍為，步距角為0.9度。四相電機工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB，步距角為1.8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB，(步距角為0.9度）。
3、功率放大
功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅(qū)動方式，到目前為止，驅(qū)動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動、恒流、細分?jǐn)?shù)等。
為盡量提高電機的動態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進電機的驅(qū)動電源。我廠生產(chǎn)的SH系列二相恒流斬波驅(qū)動電源與單片機及電機接線圖如下：
說明：
CP??????接CPU脈沖信號（負(fù)信號，低電平有效）
OPTO????接CPU+5V
FREE?????脫機，與CPU地線相接，驅(qū)動電源不工作
DIR??????方向控制，與CPU地線相接，電機反轉(zhuǎn)
VCC??????DC電源正端
GND??????直流電源負(fù)端
A???????接電機引出線紅線
接電機引出線綠線
B???????接電機引出線黃線
接電機引出線藍線
步進電機一經(jīng)定型，其性能取決于電機的驅(qū)動電源。步進電機轉(zhuǎn)速越高，力距越大則要求電機的電流越大，驅(qū)動電源的電壓越高。電壓對力矩影響如下：
4、細分驅(qū)動器
在步進電機步距角不能滿足使用的條件下，可采用細分驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機，細分驅(qū)動器的原理是通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉(zhuǎn)的。
四、步進電機的應(yīng)用
步進電機的選擇
步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。
1、步距角的選擇
電機的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機軸上，每個當(dāng)量電機應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度（三相電機）等。
2、靜力矩的選擇
步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負(fù)載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負(fù)載，恒速運行進只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）
3、電流的選擇
靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）
綜上所述選擇電機一般應(yīng)遵循以下步驟：
4、力矩與功率換算
步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：
P=?Ω·M
Ω=2π·n/60
P=2πnM/60
其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓米
P=2πfM/400(半步工作）
其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS)
應(yīng)用中的注意點
1、步進電機應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。
2、步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。
3、由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V，110BYG采用高于直流80V），當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源，不過要考慮溫升。
4、轉(zhuǎn)動慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機座號電機。
5、電機在較高速或大慣量負(fù)載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。
6、高精度時，應(yīng)通過機械減速、提高電機速度，或采用高細分?jǐn)?shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外行話。
7、電機不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。
8、電機在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。
9、應(yīng)遵循先選電機后選驅(qū)動的原則。
五、其他說明
有關(guān)低頻振動、升降速、機械共振、工作往復(fù)運動的誤差、平面圓弧X、Y插補誤差以及其他問題。具體解決辦法恕不便在此敘述，我廠用戶可來電咨詢，可根據(jù)具體情況解決。
不同廠家的電機在設(shè)計、使用材料及加工工藝方面差別很大，選用步進電機應(yīng)注重可靠性而輕性能、重品質(zhì)而輕價格。
最好采用同一生產(chǎn)廠家的控制器、驅(qū)動器和電機。這樣便于最終客戶的維護。
步進電機的基本原理
步進電機的基本原理：步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。
步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度?或15度；反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。混合式步進電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為?0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛，也是本次細分驅(qū)動方案所選用的步進電機。
步進電機的一些基本參數(shù)：步進電機固有步距角：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.步進電機°），這個步距角可以稱之為‘步進電機固有步距角’，它不一定是步進電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。
步進電機的相數(shù)：是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°?。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則‘步進電機’將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。
保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING?TORQUE）：是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。
DETENT?TORQUE：是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT?TORQUE?在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT?TORQUE。
步進電機的一些特點：
1．一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。
2．步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏度130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
3．步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。
4．步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
步進電機14問
1.什么是步進電機?
步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。
2.步進電機分哪幾種?
步進電機分三種：永磁式（PM）?，反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）
永磁式步進一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度?或15度；
反應(yīng)式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為?0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。
3.什么是保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING?TORQUE）?
保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING?TORQUE）是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。
4.什么是DETENT?TORQUE?
DETENT?TORQUE?是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。
DETENT?TORQUE?在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT?TORQUE。
5.步進電機精度為多少？是否累積?
一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。
6.步進電機的外表溫度允許達到多少?
步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏度130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
7.為什么步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降?
當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。
8.為什么步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲?
步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。
9.如何克服兩相混合式步進電機在低速運轉(zhuǎn)時的振動和噪聲?
步進電機低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服：
A.如步進電機正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區(qū)；
B.采用帶有細分功能的驅(qū)動器，這是最常用的、最簡便的方法；
C.換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機；
D.換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高；
E.在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產(chǎn)品，但機械結(jié)構(gòu)改變較大。
10.細分驅(qū)動器的細分?jǐn)?shù)是否能代表精度?
步進電機的細分技術(shù)實質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)（請參考有關(guān)文獻），其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉(zhuǎn)精度只是細分技術(shù)的一個附帶功能。比如對于步進角為1.8°?的兩相混合式步進電機，如果細分驅(qū)動器的細分?jǐn)?shù)設(shè)置為4，那么電機的運轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖0.45°，電機的精度能否達到或接近0.45°，還取決于細分驅(qū)動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅(qū)動器精度可能差別很大；細分?jǐn)?shù)越大精度越難控制。
11.四相混合式步進電機與驅(qū)動器的串聯(lián)接法和并聯(lián)接法有什么區(qū)別?
四相混合式步進電機一般由兩相驅(qū)動器來驅(qū)動，因此，連接時可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機轉(zhuǎn)速較的場合使用，此時需要的驅(qū)動器輸出電流為電機相電流的0.7倍，因而電機發(fā)熱小；并聯(lián)接法一般在電機轉(zhuǎn)速較高的場合使用（又稱高速接法），所需要的驅(qū)動器輸出電流為電機相電流的1.4倍，因而電機發(fā)熱較大。
12.如何確定步進電機驅(qū)動器的直流供電電源?
A.電壓的確定：混合式步進電機驅(qū)動器的供電電源電壓一般是一個較寬的范圍（比如IM483的供電電壓為12～48VDC），電源電壓通常根據(jù)電機的工作轉(zhuǎn)速和響應(yīng)要求來選擇。如果電機工作轉(zhuǎn)速較高或響應(yīng)要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動器。
B.電流的確定：供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取I?的1.1～1.3倍；如果采用開關(guān)電源，電源電流一般可取I?的1.5～2.0倍。
13.混合式步進電機驅(qū)動器的脫機信號FREE一般在什么情況下使用?
當(dāng)脫機信號FREE為低電平時，驅(qū)動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機狀態(tài)）。在有些自動化設(shè)備中，如果在驅(qū)動器不斷電的情況下要求直接轉(zhuǎn)動電機軸（手動方式），就可以將FREE信號置低，使電機脫機，進行手動操作或調(diào)節(jié)。手動完成后，再將FREE信號置高，以繼續(xù)自動控制。
14.如果用簡單的方法調(diào)整兩相步進電機通電后的轉(zhuǎn)動方向?
只需將電機與驅(qū)動器接線的A+和A-（或者B+和B-）對調(diào)即可。
1?細分驅(qū)動原理
步進電機控制中已蘊含了細分的機理。如三相步進電機按A→B→C……的順序輪流通電，步進電機為整步工作。而按A→AC→C→CB→B→BA→A……的順序通電，則步進電機為半步工作。以A→B為例，若將各相電流看作是向量，則從整步到半步的變換，就是在IA與IB之間插入過渡向量IAB，因為電流向量的合成方向決定了步進電機合成磁勢的方向，而合成磁勢的轉(zhuǎn)動角度本身就是步進電機的步進角度。顯然，I?AB的插入改變了合成磁勢的轉(zhuǎn)動大小，使得步進電機的步進角度由θb變?yōu)?.5?θb，從而也就實現(xiàn)了2步細分。由此可見，步進電機的細分原理就是通過等角度有規(guī)律的插入電流合成向量，從而減小合成磁勢轉(zhuǎn)動角度，達到步進電機細分控制的目的。
如圖1所示，在三相步進電機的A相與B相之間插入合成向量AB，則實現(xiàn)了2步細分。要再實現(xiàn)4步細分，只需在A與AB之間插入3個向量I1、I2、I3，使得合成磁勢的轉(zhuǎn)動角度θ1=θ2=θ3=θ4，就實現(xiàn)了4步細分。但4步細分與2步細分是不同的，由于I1、I2、I3?3個向量的插入是對電流向量IB的分解，故控制脈沖已變成了階梯波。細分程度越高，階梯波越復(fù)雜。
在三相步進電機整步工作時，實現(xiàn)2步細分合成磁勢轉(zhuǎn)動過程為IA→IAB→IB；實現(xiàn)4步細分轉(zhuǎn)動過程為IA→I2→IAB……；而實現(xiàn)8步細分則轉(zhuǎn)動過程為IA→I1→I2→I3→IAB……。可見，選擇不同的細分步數(shù)，就要插入不同的電流合成向量。
2?多級細分驅(qū)動系統(tǒng)的實現(xiàn)
2.1?系統(tǒng)組成
如圖2所示，系統(tǒng)由主機、鍵盤輸入系統(tǒng)、步進顯示系統(tǒng)、步進控制系統(tǒng)組成。主機采用AT89C51單片機，其為低功耗的8位單片機，片內(nèi)有一個4K字節(jié)的Flash可編程、可擦除、只讀存儲器，故可簡化系統(tǒng)構(gòu)成，且可滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲空間的要求。主機接收串行口送來的步進控制數(shù)據(jù)，并對其進行處理，以實施步進控制。鍵盤輸入系統(tǒng)是用來輸入控制所需的細分檔位。系統(tǒng)設(shè)計時，考慮到隨著細分的精確化，如128步細分時，步距角達到足夠小，能滿足各種步進要求，故以2的整數(shù)次冪作為細分基準(zhǔn)。步進顯示系統(tǒng)由液晶顯示器顯示當(dāng)前細分檔位和細分后的步進角等參數(shù)。為了減少電路的復(fù)雜性，該顯示器顯示的最小單位規(guī)定為0.01°。步進控制系統(tǒng)由D/A轉(zhuǎn)換部分和驅(qū)動系統(tǒng)組成。D/A轉(zhuǎn)換部分包括３片DAC0830集成芯片和數(shù)據(jù)鎖存系統(tǒng)。DAC0830轉(zhuǎn)換分辨率是8位，該芯片具有與微處理器兼容、價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點。D/A轉(zhuǎn)換部分的功能是將二進制代碼表示的階梯波數(shù)值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流值輸出，經(jīng)驅(qū)動系統(tǒng)放大，控制步進電機轉(zhuǎn)動。驅(qū)動系統(tǒng)采用三級管實現(xiàn)電流放大。
2.2?細分階梯波的產(chǎn)生
細分的實現(xiàn)過程，就是插入電流合成向量和轉(zhuǎn)換電流合成向量的過程。電流合成向量轉(zhuǎn)化的前提是合成向量的插入。在系統(tǒng)中，由主機根據(jù)設(shè)定的細分檔位，計算出相關(guān)參數(shù)，經(jīng)查表生成相對應(yīng)的階梯波，即插入了電流合成向量。在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的控制信號下，階梯波脈沖由輸出端口經(jīng)鎖存系統(tǒng)送入D/A轉(zhuǎn)換器件DAC0830進行電流合成向量的轉(zhuǎn)化，輸出對應(yīng)的電流值，經(jīng)驅(qū)動放大控制步進電機，從而實現(xiàn)了細分驅(qū)動。
電流合成向量的插入是實現(xiàn)細分的關(guān)鍵，而要得到電流合成向量，首先必須產(chǎn)生階梯波。由圖1知，在三相電機半步工作的情況下，要實現(xiàn)4步細分，就必須將B相電流分成4份，但不是等分，需保證θ1=θ2=θ3=θ4。若θ1、θ2、θ3、θ4分別對應(yīng)的電流向量是IB1、IB2、IB3、IB4，則在θ1所對應(yīng)的三角形內(nèi)，設(shè)步進角為θb，則α=180°-θb，β=θb-θ1，由正弦定理得
考慮到一般情況，由于細分時步進電機控制脈沖波形是階梯型，如對B相進行4步細分時，其電流輸入依次為IB1、IB1+?IB2、IB1+?IB2+?IB3、IB1+?IB2+?IB3+?IB4，相應(yīng)合成磁勢轉(zhuǎn)過的角度為θ1、θ1+θ2、θ1+θ2+θ3、θ1+θ2+θ3+θ4，此時設(shè)
IBk即為電流合成向量中B相階梯波中第k階的電流值，θk即為此時合成磁勢相應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度。由此推出，對B相來講，在步進電機的步進角度為θb時，考慮到IA=IB，則階梯波型其任一階的電流值為
同理，可求得A相和C相在細分時對應(yīng)的階梯波電流值。對(1)式求解，考慮D/A器件DAC0830的轉(zhuǎn)換精度是8位，轉(zhuǎn)換穩(wěn)定時間是1?μs，故最大進行了128步細分的運算，相應(yīng)求得其對應(yīng)的細分電流值，并進行了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，得到對應(yīng)的二進制數(shù)值列表。此時，列表全部的數(shù)值就是在實現(xiàn)128步細分時，對應(yīng)階梯波各階的電流值。
2.3?多級細分驅(qū)動的實現(xiàn)
要在細分的基礎(chǔ)上實現(xiàn)多級細分，就必須針對不同的細分檔位生成不同的階梯波。為此，該系統(tǒng)采用了循環(huán)增量查表法。首先建立階梯波數(shù)值存儲表格，有兩種方法，一種是針對每種細分方式建立相應(yīng)的表格，其特點是細分種類多樣，但表格所占空間較大；另外一種，也就是該系統(tǒng)采用的，以最大細分檔位對應(yīng)的步數(shù)僅建立一個表格，大大減少了所需的存儲空間，并減少了程序運行中的不穩(wěn)定因素。在具體控制中，該系統(tǒng)通過設(shè)定循環(huán)增量基數(shù)，使不同的細分檔位對應(yīng)不同的細分步數(shù)，實現(xiàn)了多級細分驅(qū)動。
循環(huán)增量基數(shù)是指針對不同的細分檔位，實現(xiàn)等間隔尋址時相應(yīng)跳躍的步數(shù)。循環(huán)增量基數(shù)是在細分檔位設(shè)定后，由相應(yīng)的計算公式得到。由于該系統(tǒng)最大細分步數(shù)為128步，即表格最大長度為128個字節(jié)，若細分步數(shù)為m步，則循環(huán)增量基數(shù)為LB=(128/m)-1。不同的檔位對應(yīng)不同的循環(huán)增量基數(shù)，同一表格就產(chǎn)生了多級細分所需的階梯波。
另外，在整步控制的基礎(chǔ)上，若細分為m步，對每m步運行中的各項電流值進行分析比較，可發(fā)現(xiàn)存在以下規(guī)律，即各相電流值的變化趨勢，隨著相位變化循環(huán)地出現(xiàn)，如表1所示。
表1?細分控制中各相電流值變化規(guī)律
各相?A→B?B→C?C→A
A相?高→遞減?電流值=0?增加→高
B相?增加→高?高→遞減電流值=0
C相?電流值=0?增加→高高→遞減
在表1中，每一種保持或變化都是持續(xù)m/2步，且可看出其良好的循環(huán)性。依據(jù)以上規(guī)律，在具體控制中，該系統(tǒng)單獨對由A→B控制時各相相應(yīng)的電流值變化，實現(xiàn)子程序控制，而對整體控制則采用圓周移位的方式實現(xiàn)，即隨著合成磁勢在A→B、B→C、C→A的轉(zhuǎn)動，對同一輸出地址，相應(yīng)每m步的控制數(shù)據(jù)循環(huán)出現(xiàn)。采用這種方式，簡化了實際控制程序，提高了控制效率。
分類
1、永磁式步進電機
永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角一般為7.5度?或15度；通常電機轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，軟磁材料制成的定子上有多相勵磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊沒有小齒和槽，通電后利用永磁體與定子電流磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
2、反應(yīng)式步進電機反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
3、混合式步進電機
混合式步進電機，也叫永磁反應(yīng)式、永磁感應(yīng)式步進電動機，是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為?0.72度。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。
步進電機型號M2-42-33、M2-42-38、M2-42-48、M2-57-41、M2-57-54、M2-57-78、M2-57-111、M2-86-77、M2-86-97、M2-86-115、M2-86-145、M3-86-97、M3-86-135、M3-86-145、M3-86-156、M3-110-161、M3-110-185、M3-110-220、M3-110-185、M3-130-174、M3-130-230、M3-130-258、M3-150-255
特點
1、一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。
2、步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏度130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
3、步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。
4、步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進電機本身技術(shù)的提高，步進電機將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
5、高性能、無刷、免維護步進電機可提供非常精確的極其經(jīng)濟的運動控制。這些2相步進電機本身按照較小的非常精確的1.8°增量（200/轉(zhuǎn)）運動。該步進動作容易控制，不需要復(fù)雜、昂貴的反饋設(shè)備。它們是氣動、液壓和伺服電機系統(tǒng)的優(yōu)秀替代產(chǎn)品。.
指標(biāo)及術(shù)語
1、步距角精度：步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。
2、失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。
3、失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。
4、最大空載起動頻率：電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。
5、最大空載的運行頻率：電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。
6、運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。如下圖所示：其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。
7、電機的共振點：步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅(qū)動電壓越高，電機電流越大，負(fù)載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。
8、電機正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或()時為正轉(zhuǎn)，通電時序為DA-CA-BC-AB或()時為反轉(zhuǎn)。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。
可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。步進電動機的位移量與脈沖數(shù)嚴(yán)格成比例，這就不會引起誤差的積累，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率和步距角有關(guān)。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。
對于步進電機不能簡單的說是直流還是交流，步進電機在運行時，步進電機的各繞組，要按一定的次序加以一定幅度，一定寬度的脈沖，這個脈沖電流流過繞組時，有單方向，也有雙方向的區(qū)別。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。而且步進電機本身不接電源的!步進電機是通過驅(qū)動器連接電源的！驅(qū)動器分高壓和低壓之分，也就是所謂的直流和交流。
基本參數(shù)
1、電機固有步距角
它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為‘電機固有步距角’，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。
2、步進電機的相數(shù)
是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°?。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則‘相數(shù)’將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。
3、保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING?TORQUE）
是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。DETENT?TORQUE：是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENT?TORQUE?在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT?TORQUE。
最大轉(zhuǎn)速???首先步進電機有優(yōu)勢在于，編程簡單，接線少，故障也少，扭力大，現(xiàn)在的步進電機最高能達到60000脈沖數(shù)。轉(zhuǎn)速也有的能達到3000轉(zhuǎn)的，通常情況都能達到600轉(zhuǎn)。步進電機一般說是可以達到600轉(zhuǎn)，很多時候達不到這個轉(zhuǎn)速的，廠家說是600轉(zhuǎn)，在使用過程中很多時候可以達到500轉(zhuǎn)。一般情況下，機器能轉(zhuǎn)到500轉(zhuǎn)，已經(jīng)很快的了。再快了可能就會堵轉(zhuǎn)，電機就象卡死了一樣的響，這就是速度過高，電機轉(zhuǎn)不過來。發(fā)生這種現(xiàn)象，解決的辦法是：1、降低最高運行頻率；2、調(diào)高加減速時間；3、降低啟動頻率；4、把細分?jǐn)?shù)調(diào)高一個檔位。步進電機的轉(zhuǎn)速和力矩成反比，轉(zhuǎn)速越快，力矩越小。這點選型的時候很重要，不要小馬拉大車。選型大一點沒關(guān)系，小了或是剛剛好就真是不行，丟步大多數(shù)是因為電機小了，機械過重，造成小馬拉大車的現(xiàn)象。很多人都說步進電機丟步，其實機械原因也有很多，像絲桿軸承沒有裝好，絲桿磨損，導(dǎo)軌磨損都能讓機械走不準(zhǔn)，還有原點開關(guān)的好壞，直接影響精度。
驅(qū)動電路
步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。
步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本原理作用如下：
(1)控制換相順序
通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C－D，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A，B，C，D相的通斷。
(2)控制步進電機的轉(zhuǎn)向
如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。
(3)控制步進電機的速度
如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。
如何做一名工程師預(yù)測步進電機牽出轉(zhuǎn)矩
在最近的文章中，我寫了一篇關(guān)于步進電機系統(tǒng)的性能強調(diào)的是，所有的工程師需要了解這種被廣泛使用的電磁機械數(shù)字激勵器的關(guān)鍵概念。作為延續(xù)這篇文章中的討論，我談步進電機牽出轉(zhuǎn)矩曲線，因為這是由電機制造商提供的最重要的信息。的最大可用電動機轉(zhuǎn)矩與速度（每秒的脈沖），該曲線是所獲得的實驗曲線使用特定的操作模式，例如，兩相上，全步進模式中，與特定驅(qū)動程序的方法，例如，電壓控制或電流控制。
拉入扭矩曲線顯示最大摩擦轉(zhuǎn)矩與該馬達可以啟動，在不同的步進率，而不會失去任何步驟。在實際應(yīng)用中，該曲線已被轉(zhuǎn)移到占負(fù)載慣量。拉出轉(zhuǎn)矩曲線顯示了可用的扭矩時，電機運行在一個恒定的速度在給定頻率。在一個應(yīng)用程序，這個扭矩可用于克服負(fù)載摩擦轉(zhuǎn)矩和用于加速負(fù)載和電機慣量。所選驅(qū)動器對輸出扭矩和功率巨大的影響力。
工程師將使用電機的模式（例如，半步或四分之一步）和驅(qū)動程序的方法由應(yīng)用程序決定的。可以一個工程師預(yù)測為條件下的步進電機特定于應(yīng)用程序的牽出轉(zhuǎn)矩曲線？答案是肯定的，而且，正如你所期望的，它是通過建模完成。
旋轉(zhuǎn)（Θ）機械子系統(tǒng)包括一個轉(zhuǎn)子慣量J?，摩擦轉(zhuǎn)矩TF（庫侖和粘滯）和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與連接到通過上述磁場產(chǎn)生和磁轉(zhuǎn)矩，TM，正比于所代表的電氣子系統(tǒng)相電流，I，用一個比例常數(shù)克拉。轉(zhuǎn)子齒的數(shù)量是天然橡膠。電氣子系統(tǒng)包括一個直流電壓源電子供應(yīng)，相電流，i?，相電阻R，和相自感，L，與耦合到通過上述磁場產(chǎn)生并通過一個速度相關(guān)的電壓Eb為代表的機械子系統(tǒng)的用的比例常數(shù)kb的。另外，由于電機轉(zhuǎn)子具有永磁體，有一止動轉(zhuǎn)矩，TD，在磁轉(zhuǎn)矩的4倍的頻率發(fā)生，甚至在不存在任何相電流。這里必須要添加的驅(qū)動程序模型是電壓控制和電流控制。
通過施加斜坡加載轉(zhuǎn)矩，?TL?，在指定的速度（每秒的脈沖）?，在運行模擬，并觀察負(fù)載轉(zhuǎn)矩的值中得到的牽出轉(zhuǎn)矩在該電機損耗的同步路徑，即錯過步驟。重復(fù)這一步驟，要的速度范圍。通過施加規(guī)定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和運行模擬的序列的速度增加，以確定最大速度可以為電機運行在該負(fù)載轉(zhuǎn)矩得到的牽入轉(zhuǎn)矩曲線。
而更準(zhǔn)確的混合動力汽車車型存在，這里所描述的模型是最充足的步進電機系統(tǒng)設(shè)計。參數(shù)識別是關(guān)鍵和制造商的電機數(shù)據(jù)往往是稀疏的大公差。所有在這個模型中的參數(shù)可以從什么是在電機數(shù)據(jù)表通常給出確定。如果精確的模型預(yù)測是必不可少的，沒有什么可以替代的測量，以驗證數(shù)據(jù)表。
功能模塊設(shè)計
本模塊可分為如下3個部分：
單片機系統(tǒng)：控制步進電動機；
外圍電路：PIC單片機和步進電動機的接口電路；
PIC程序：編寫單片機控制步進電功機的接口程序，實現(xiàn)三角波信號的輸出功能。
（1）步進電動機與單片機的接口。
單片機是性能極佳的控制處理器，在控制步進電機工作時，接口部件必須要有下列功能。
①電壓隔離功能。
單片機工作在5V，而步進電機是工作在幾十V，甚至更高。一旦步進電機的電壓串到單片機中，就會損壞單片機；步進電機的信號會干擾單片機，也可能導(dǎo)致系統(tǒng)工作失誤，因此接口器件必須有隔離功能。
②信息傳遞功能。
接口部件應(yīng)能夠把單片機的控制信息傳遞給步進電機回路，產(chǎn)生工作所需的控制信息，對應(yīng)于不同的工作方式，接口部件應(yīng)能產(chǎn)生相應(yīng)的工作控制波形。
③產(chǎn)生所需的不同頻率。
為了使步進電機以不同的速度工作，以適應(yīng)不同的目的，接口部件應(yīng)能產(chǎn)生不同的工作頻率。
（2）電壓隔離接口。
電壓隔離接口專用于隔離低壓部分的單片機和高壓部分的步進電機驅(qū)動電路，以保證它們的正常工作。
電壓隔離接口可以用脈沖變壓器或光電隔離器，基本上是采用光電隔離器。單片機輸出信號可以通過TTL門電路或者直接送到晶體管的基極，再由晶體管驅(qū)動光電耦合器件的發(fā)光二極管。
發(fā)光二極管的光照到光電耦合器件內(nèi)部的光敏管上，轉(zhuǎn)換成電信號，再去驅(qū)動步進電機的功率放大電路，電流放大接口是步進電機功放電路的前置放大電路。它的作用是把光電隔離器的輸出信號進行電流放大，以便向功放電路提供足夠大的驅(qū)動電流。
（3）工作方式接口和頻率發(fā)生器。
用單片機控制步進電動機，需要在輸入輸出接口上用3條I/0線對步進電動機進行控制，這時，單片機用I/O口的RA0、RAI、RA2控制步進電動機的三相。
優(yōu)勢及缺陷
優(yōu)點
1、電機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；
2、電機停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當(dāng)繞組激磁時）
3、由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復(fù)性；
4、優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；
5、由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命；
6、電機的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得電機的結(jié)構(gòu)可以比較簡單而且控制成本；
7、僅僅將負(fù)載直接連接到電機的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)；
8、由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。
缺陷
1、如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振；
2、難以運轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速；
3、難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩；
4、在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低
5、超過負(fù)載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。
驅(qū)動方法
步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅(qū)動器，它由環(huán)行分配器、脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護電路、傳感器等組成，驅(qū)動單元與步進電動機直接耦合，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口。
驅(qū)動要求
1、能夠提供較快的電流上升和下降速度，
使電流波形盡量接近矩形。
具有供截止期間釋放電流流通的回路，以降低繞組兩端的反電動勢，加快電流衰減。
2、具有較高韻功率及效率。
步進電機驅(qū)動器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進電機的角位移，或者說：控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號，通過驅(qū)動器就使步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角。也就是說步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。所以控制步進脈沖信號的頻率，就可以對電機精確調(diào)速；控制步進脈沖的個數(shù)，就可以對電機精確定位。步進電機驅(qū)動器有很多，應(yīng)以實際的功率要求合理的選擇驅(qū)動器。
主要應(yīng)用
步進電機的選擇
步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。
一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。
1、步距角的選擇
電機的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機軸上，每個當(dāng)量電機應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度（三相電機）等。
2、靜力矩的選擇
步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負(fù)載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負(fù)載，恒速運行進只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。
3、電流的選擇
靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流。
應(yīng)用中的注意點
1、步進電機應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低；
2、步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大；
3、由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V，110BYG采用高于直流80V），當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源，不過要考慮溫升；
4、轉(zhuǎn)動慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機座號電機；
5、電機在較高速或大慣量負(fù)載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度；
6、高精度時，應(yīng)通過機械減速、提高電機速度，或采用高細分?jǐn)?shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外行話；
7、電機不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決；
8、電機在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動；
9、應(yīng)遵循先選電機后選驅(qū)動的原則。
發(fā)展歷程
步進電機又稱脈沖電機或階躍電機，或步進驅(qū)動器。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。
日前，隨著電子技術(shù)，控制技術(shù)以及電機本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)電機分類間的界面越來越模糊。筆者認(rèn)為這是機電一體化元件組的必然趨勢。就傳統(tǒng)的步進電機來說，步進電機可以簡單地定義為，根據(jù)輸入的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態(tài)就前進一定角度(或長度)，若不改變勵磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電機。從廣義上講，步進電機是一種脈沖信號控制的無刷式直流電機，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電機。
步進電機的機理是基于最基本的電磁鐵作用，其原如模型起源于1830年至1860年間。1870年前后開始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于弧燈的電極輸送機構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進電機。此后，在電話自動交換中廣泛使用了步進電機。不久又在缺乏交流電源的船舶和飛機等獨立系統(tǒng)中廣泛使用。
20世紀(jì)60年代后期，在步進電機本體方面隨著永磁材料的發(fā)展，各種實用性步進電機應(yīng)運而生，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展則推進了步進電機在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。在近30年間，步進電機迅速地發(fā)燕并成熟起來。從發(fā)展趨向來講，步進電機已經(jīng)能與直流電機、異步電機、以及同步電機并列，從而成為電機的一種基本類型。
在我國，步進電機的研究及制造起始于本世紀(jì)50年代后期。從50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研機構(gòu)為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進電機為主。70年代初期，步進電機的生產(chǎn)和研究有所突破。除反映在驅(qū)動器設(shè)計方面的長足進步外，對反應(yīng)式步進電機本體的設(shè)計研究發(fā)展到一個較高水平。70年代中期至80年年代中期為成品發(fā)展階段，新品種高性能電機不斷被開發(fā)。自80年代中期以來，由于對步進電機精確模型做了大量研究工作，各種混合式步進驅(qū)動器作為產(chǎn)品廣泛利用。
主要構(gòu)造
三相磁阻式步進電動機模型的結(jié)構(gòu)示意圖如概述圖所示。它的定、轉(zhuǎn)子鐵心都由硅鋼片疊成。定子上有六個磁極，每兩個相對的磁極繞有同一相繞組，三相繞組接成星形作為控制繞組；定子和轉(zhuǎn)子鐵心上沒有繞組，只有四個齒，齒寬等于定子極靴寬。
步進電機加減速過程控制技術(shù)
正因為步進電機的廣泛應(yīng)用，對步進電機的控制的研究也越來越多，在啟動或加速時如果步進脈沖變化太快，轉(zhuǎn)子由于慣性而跟隨不上電信號的變化，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或失步在停止或減速時由于同樣原因則可能產(chǎn)生超步。為防止堵轉(zhuǎn)、失步和超步，提高工作頻率，要對步進電機進行升降速控制。
步進電機的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)。其角速度與脈沖頻率成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而在轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運行拍數(shù)一定的情況下，只要控制脈沖頻率即可獲得所需速度。由于步進電機是借助它的同步力矩而啟動的，為了不發(fā)生失步，啟動頻率是不高的。特別是隨著功率的增加，轉(zhuǎn)子直徑增大，慣量增大，啟動頻率和最高運行頻率可能相差十倍之多。
步進電機的起動頻率特性使步進電機啟動時不能直接達到運行頻率，而要有一個啟動過程，即從一個低的轉(zhuǎn)速逐漸升速到運行轉(zhuǎn)速。停止時運行頻率不能立即降為零，而要有一個高速逐漸降速到零的過程。
步進電機的輸出力矩隨著脈沖頻率的上升而下降，啟動頻率越高，啟動力矩就越小，帶動負(fù)載的能力越差，啟動時會造成失步，而在停止時又會發(fā)生過沖。要使步進電機快速的達到所要求的速度又不失步或過沖，其關(guān)鍵在于使加速過程中，加速度所要求的力矩既能充分利用各個運行頻率下步進電機所提供的力矩，又不能超過這個力矩。因此，步進電機的運行一般要經(jīng)過加速、勻速、減速三個階段，要求加減速過程時間盡量的短，恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點到終點運行的時間要求最短，這就必須要求加速、減速的過程最短，而恒速時的速度最高。
國內(nèi)外的科技工作者對步進電機的速度控制技術(shù)進行了大量的研究，建立了多種加減速控制數(shù)學(xué)模型，如指數(shù)模型、線性模型等，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)了多種控制電路，改善了步進電機的運動特性，推廣了步進電機的應(yīng)用范圍指數(shù)加減速考慮了步進電機固有的矩頻特性，既能保證步進電機在運動中不失步，又充分發(fā)揮了電機的固有特性，縮短了升降速時間，但因電機負(fù)載的變化，很難實現(xiàn)而線性加減速僅考慮電機在負(fù)載能力范圍的角速度與脈沖成正比這一關(guān)系，不因電源電壓、負(fù)載環(huán)境的波動而變化的特性，這種升速方法的加速度是恒定的，其缺點是未充分考慮步進電機輸出力矩隨速度變化的特性，步進電機在高速時會發(fā)生失步。
步進電機的細分驅(qū)動控制
步進電機由于受到自身制造工藝的限制，如步距角的大小由轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運行拍數(shù)決定，但轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運行拍數(shù)是有限的，因此步進電機的步距角一般較大并且是固定的，步進的分辨率低、缺乏靈活性、在低頻運行時振動，噪音比其他微電機都高，使物理裝置容易疲勞或損壞。這些缺點使步進電機只能應(yīng)用在一些要求較低的場合，對要求較高的場合，只能采取閉環(huán)控制，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，這些缺點嚴(yán)重限制了步進電機作為優(yōu)良的開環(huán)控制組件的有效利用。細分驅(qū)動技術(shù)在一定程度上有效地克服了這些缺點。
步進電機細分驅(qū)動技術(shù)是年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅(qū)動技術(shù)。年美國學(xué)者、首次在美國增量運動控制系統(tǒng)及器件年會上提出步進電機步距角細分的控制方法。在其后的二十多年里，步進電機細分驅(qū)動得到了很大的發(fā)展。逐步發(fā)展到上世紀(jì)九十年代完全成熟的。我國對細分驅(qū)動技術(shù)的研究，起步時間與國外相差無幾。
在九十年代中期的到了較大的發(fā)展。主要應(yīng)用在工業(yè)、航天、機器人、精密測量等領(lǐng)域，如跟蹤衛(wèi)星用光電經(jīng)緯儀、軍用儀器、通訊和雷達等設(shè)備，細分驅(qū)動技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得電機的相數(shù)不受步距角的限制，為產(chǎn)品設(shè)計帶來了方便。目前在步進電機的細分驅(qū)動技術(shù)上，采用斬波恒流驅(qū)動，儀脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動、電流向量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動控制止，大大提高步進電機運行運轉(zhuǎn)精度，使步進電機在中、小功率應(yīng)用領(lǐng)域向高速且精密化的方向發(fā)展。
控制策略
PID控制
PID?控制作為一種簡單而實用的控制方法，在步進電機驅(qū)動中獲得了廣泛的應(yīng)用。它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，將偏差的比例、積分和導(dǎo)數(shù)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。文獻將集成位置傳感器用于二相混合式步進電機中，以位置檢測器和向量控制為基礎(chǔ)，設(shè)計出了一個可自動調(diào)節(jié)的PI速度控制器，此控制器在變工況的條件下能提供令人滿意的瞬態(tài)特性。文獻根據(jù)步進電機的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了步進電機的PID控制系統(tǒng)，采用PID控制算法得到控制量，從而控制電機向指定位置運動。最后，通過仿真驗證了該控制具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性。采用PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強、可靠性高等優(yōu)點，但是它無法有效應(yīng)對系統(tǒng)中的不確定信息。
目前，PID控制更多的是與其他控制策略相結(jié)合，形成帶有智能的新型復(fù)合控制。這種智能復(fù)合型控制具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織的能力，能夠自動辨識被控過程參數(shù)，自動整定控制參數(shù)，適應(yīng)被控過程參數(shù)的變化，同時又具有常規(guī)PID控制器的特點。
自適應(yīng)控制
自適應(yīng)控制是在20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的自動控制領(lǐng)域的一個分支。它是隨著控制對象的復(fù)雜化，當(dāng)動態(tài)特性不可知或發(fā)生不可預(yù)測的變化時，為得到高性能的控制器而產(chǎn)生的。其主要優(yōu)點是容易實現(xiàn)和自適應(yīng)速度快，能有效地克服電機模型參數(shù)的緩慢變化所引起的影響，是輸出信號跟蹤參考信號。文獻研究者根據(jù)步進電機的線性或近似線性模型推導(dǎo)出了全局穩(wěn)定的自適應(yīng)控制算法，這些控制算法都嚴(yán)重依賴于電機模型參數(shù)。文獻將閉環(huán)反饋控制與自適應(yīng)控制結(jié)合來檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，通過反饋和自適應(yīng)處理，按照優(yōu)化的升降運行曲線，自動地發(fā)出驅(qū)動的脈沖串，提高了電機的拖動力矩特性，同時使電機獲得更精確的位置控制和較高較平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速。
目前，很多學(xué)者將自適應(yīng)控制與其他控制方法相結(jié)合，以解決單純自適應(yīng)控制的不足。文獻設(shè)計的魯棒自適應(yīng)低速伺服控制器，確保了轉(zhuǎn)動脈矩的最大化補償及伺服系統(tǒng)低速高精度的跟蹤控制性能。文獻實現(xiàn)的自適應(yīng)模糊PID控制器可以根據(jù)輸入誤差和誤差變化率的變化，通過模糊推理在線調(diào)整PID參數(shù)，實現(xiàn)對步進電機的自適應(yīng)控制，，從而有效地提高系統(tǒng)的響應(yīng)時間、計算精度和抗干擾性。
向量控制
矢量控制是現(xiàn)代電機高性能控制的理論基礎(chǔ)，可以改善電機的轉(zhuǎn)矩控制性能。它通過磁場定向?qū)⒍ㄗ与娏鞣譃閯畲欧至亢娃D(zhuǎn)矩分量分別加以控制，從而獲得良好的解耦特性，因此，矢量控制既需要控制定子電流的幅值，又需要控制電流的相位。由于步進電機不僅存在主電磁轉(zhuǎn)矩，還有由于雙凸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，且內(nèi)部磁場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非線性較一般電機嚴(yán)重得多，所以它的矢量控制也較為復(fù)雜。推導(dǎo)出了二相混合式步進電機?d-q軸數(shù)學(xué)模型，以轉(zhuǎn)子永磁磁鏈為定向坐標(biāo)系，令直軸電流id=0，電動機電磁轉(zhuǎn)矩與iq成正比，用PC機實現(xiàn)了向量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用傳感器檢測電機的繞組電流和轉(zhuǎn)自位置，用PWM方式控制電機繞組電流。文推導(dǎo)出基于磁網(wǎng)絡(luò)的二相混合式步進電機模型，給出了其矢量控制位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)控制策略對系統(tǒng)中的不確定因素進行實時補償，通過最大轉(zhuǎn)矩/電流矢量控制實現(xiàn)電機的高效控制。
智能控制的應(yīng)用
智能控制不依賴或不完全依賴控制對象的數(shù)學(xué)模型，只按實際效果進行控制，在控制中有能力考慮系統(tǒng)的不確定性和精確性，突破了傳統(tǒng)控制必須基于數(shù)學(xué)模型的框架。目前，智能控制在步進電機系統(tǒng)中應(yīng)用較為成熟的是模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和智能控制的集成。
模糊控制
模糊控制就是在被控制對象的模糊模型的基礎(chǔ)上，運用模糊控制器的近似推理等手段，實現(xiàn)系統(tǒng)控制的方法。作為一種直接模擬人類思維結(jié)果的控制方式，模糊控制已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。與常規(guī)控制相比，模糊控制無須精確的數(shù)學(xué)模型，具有較強的魯棒性、自適應(yīng)性，因此適用于非線性、時變、時滯系統(tǒng)的控制。給出了模糊控制在二相混合式步進電機速度控制中應(yīng)用實例。系統(tǒng)為超前角控制，設(shè)計無需數(shù)學(xué)模型，速度響應(yīng)時間短。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用大量的神經(jīng)元按一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)調(diào)整的方法。它可以充分逼近任意復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，能夠?qū)W習(xí)和自適應(yīng)未知或不確定的系統(tǒng)，具有很強的魯棒性和容錯性，因而在步進電機系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于實現(xiàn)步進電機最佳細分電流，在學(xué)習(xí)中使用Bayes?正則化算法，使用權(quán)值調(diào)整技術(shù)避免多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)陷入局部極小點，有效解決了等步距角細分問題。
參考資料 >
步進電機驅(qū)動電路的基本原理作用.電工學(xué)習(xí)網(wǎng).2014-03-01
步進電機最大轉(zhuǎn)速.電工學(xué)習(xí)網(wǎng).2014-05-22