基本介紹
步進(jìn)電機是一種
感應電機，它的工作原理是利用電子電路，
步進(jìn)電機（圖1）
將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機供電，步進(jìn)電機才能正常工作，驅動(dòng)器就是為步進(jìn)電機分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。
雖然步進(jìn)電機已被廣泛地應用，但步進(jìn)電機并不能像普通的直流電機，
交流電機在常規下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動(dòng)電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進(jìn)電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專(zhuān)業(yè)知識。
步進(jìn)電機作為
執行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應用在各種自動(dòng)化控制系統中。隨著(zhù)微電子和
計算機技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應用。
步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點(diǎn)講：當步進(jìn)驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量，從而達到準確定位的
目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機轉動(dòng)的速度和加速度，從而達到調速的目的。
2主要分類(lèi)
步進(jìn)電機在構造上有三種主要類(lèi)型：
步進(jìn)電機（圖2）
反應式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet,PM）和混合式（Hybrid Stepping,HS）。
反應式：定子上有繞組、轉子由軟磁材料組成。結構簡(jiǎn)單、成本低、步距角小，可達1.2°、但動(dòng)態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。
永磁式：永磁式步進(jìn)電機的轉子用永磁材料制成，轉子的極數與定子的極數相同。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）。
混合式：混合式步進(jìn)電機綜合了反應式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，其定子上有多相繞組、轉子上采用永磁材料，轉子和定子上均有多個(gè)小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，步距角小，但結構復雜、成本相對較高。
按定子上繞組來(lái)分，共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合式步進(jìn)電機，約占97%以上的市場(chǎng)份額，其原因是性?xún)r(jià)比高，配上細分驅動(dòng)器后效果良好。該種電機的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅動(dòng)器后，步距角減少為0.9°，配上細分驅動(dòng)器后其步距角可細分達256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，實(shí)際控制精度略低。同一步進(jìn)電機可配不同細分的驅動(dòng)器以改變精度和效果。
3選擇方法
步進(jìn)電機和驅動(dòng)器的選擇方法：
判斷需多大力矩：靜扭矩是選擇步
步進(jìn)電機（圖3）
進(jìn)電機的主要參數之一。負載大時(shí)，需采用大力矩電機。力矩指標大時(shí)，電機外形也大。
判斷電機運轉速度：轉速要求高時(shí)，應選相電流較大、電感較小的電機，以增加功率輸入。且在選擇驅動(dòng)器時(shí)采用較高供電電壓。
選擇電機的安裝規格：如57、86、110等，主要與力矩要求有關(guān)。
確定定位精度和振動(dòng)方面的要求情況：判斷是否需細分，需多少細分。
根據電機的電流、細分和供電電壓選擇驅動(dòng)器。
4基本原理
工作原理
通常電機的轉子為永磁體，當電流流過(guò)
定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量
磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì )帶動(dòng)轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當定子的矢量磁場(chǎng)旋轉一個(gè)角度。轉子也隨著(zhù)該磁場(chǎng)轉一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電
脈沖，電動(dòng)機轉動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比、轉速與
脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會(huì )反轉。所以可用控制脈沖數量、頻率及電動(dòng)機各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機的轉動(dòng)。
發(fā)熱原理
通常見(jiàn)到的各類(lèi)電機，內部都是有鐵芯和繞組線(xiàn)圈的。繞組有電阻，通電會(huì )產(chǎn)生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說(shuō)的銅損，如果電流不是標準的直流或正弦波，還會(huì )產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應，在交變磁場(chǎng)中也會(huì )產(chǎn)生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關(guān)，這叫鐵損。銅損和鐵損都會(huì )以發(fā)熱的形式表現出來(lái)，從而影響電機的效率。步進(jìn)電機一般追求定位精度和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成分高，電流交變的頻率也隨轉速而變化，因而步進(jìn)電機普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機嚴重。
5主要構造
步進(jìn)電機也叫步進(jìn)器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉換為機械能，
步進(jìn)電機（圖4）
人們早在20世紀20年代就開(kāi)始使用這種電機。隨著(zhù)嵌入式系統(例如打印機、磁盤(pán)驅動(dòng)器、玩具、雨刷、震動(dòng)尋呼機、機械手臂和錄像機等)的日益流行，步進(jìn)電機的使用也開(kāi)始暴增。不論在工業(yè)、軍事、醫療、汽車(chē)還是娛樂(lè )業(yè)中，只要需要把某件物體從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，步進(jìn)電機就一定能派上用場(chǎng)。步進(jìn)電機有許多種形狀和尺寸，但不論形狀和尺寸如何，它們都可以歸為兩類(lèi)：可變磁阻步進(jìn)電機和永磁步進(jìn)電機。
步進(jìn)電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線(xiàn)圈驅動(dòng)的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線(xiàn)管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線(xiàn)圈、或相。
6指標術(shù)語(yǔ)
靜態(tài)指標術(shù)語(yǔ)
1、相數：產(chǎn)生不同對極N、S磁場(chǎng)的激磁線(xiàn)圈對數。常用m表示。
2、拍數：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數或
步進(jìn)電機（圖5）
導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數，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。
3、步距角：對應一個(gè)
脈沖信號，電機轉子轉過(guò)的角位移用θ表示。θ=360度/（轉子齒數*運行拍數），以常規二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時(shí)步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱(chēng)整步），八拍運行時(shí)步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱(chēng)半步）。
4、定位
轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機械誤差造成的）。
5、靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動(dòng)時(shí)，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積的標準，與驅動(dòng)電壓及驅動(dòng)
電源等無(wú)關(guān)。 雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關(guān)，但過(guò)分采用減小氣隙，增加激磁安匝來(lái)提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì )造成電機的發(fā)熱及機械噪音。
動(dòng)態(tài)指標術(shù)語(yǔ)
1、步距角精度：步進(jìn)電機每轉過(guò)一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數其值不同，四拍運行時(shí)應在5%之內，
步進(jìn)電機（圖6）
八拍運行時(shí)應在15%以?xún)取?
2、失步：電機運轉時(shí)運轉的步數，不等于理論上的步數。稱(chēng)之為失步。
3、失調角：轉子齒軸線(xiàn)偏移定子齒軸線(xiàn)的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅動(dòng)是不能解決的。
4、最大空載起動(dòng)頻率：電機在某種驅動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。
5、最大空載的運行頻率：電機在某種驅動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。
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(xiàn)稱(chēng)為運行矩頻特性，這是電機諸多動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)中最重要的，也是電機選擇的根本依據。
步進(jìn)電機（圖7）
其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)
頻率特性等。 電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機運行時(shí)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。要使平均電流大，盡可能提高驅動(dòng)電壓，采用小
電感大電流的電機。
7、電機的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機均有固定的共振區域，二、四相感應子式的共振區一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），
電機驅動(dòng)電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應偏移共振區較多。
8、電機正反轉控制：當電機繞組通電時(shí)序為AB-BC-CD-DA或()時(shí)為正轉，通電時(shí)序為DA-CD-BC-AB或()時(shí)為反轉。
7特點(diǎn)特性
主要特點(diǎn)
1、一般步進(jìn)電機的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。
2、步進(jìn)電機外表允許的最高溫度。
步進(jìn)電機溫度過(guò)高首先會(huì )使電機的磁性材料退磁，
步進(jìn)電機（圖8）
從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
3、步進(jìn)電機的力矩會(huì )隨轉速的升高而下降。
當步進(jìn)電機轉動(dòng)時(shí)，電機各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢；頻率越高，反向電動(dòng)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，從而導致力矩下降。
4、步進(jìn)電機低速時(shí)可以正常運轉,但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。
步進(jìn)電機有一個(gè)技術(shù)參數：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動(dòng)頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動(dòng)，脈沖頻率應該有加速過(guò)程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。
步進(jìn)電動(dòng)機以其顯著(zhù)的特點(diǎn)，在數字化制造時(shí)代發(fā)揮著(zhù)重大的用途。伴隨著(zhù)不同的數字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機將會(huì )在更多的領(lǐng)域得到應用。
主要特性
1、步進(jìn)電機必須加驅動(dòng)才可以運轉，驅動(dòng)信號必須為脈沖信號，
步進(jìn)電機（圖9）
沒(méi)有脈沖的時(shí)候，步進(jìn)電機靜止，如果加入適當的脈沖信號，就會(huì )以一定的角度（稱(chēng)為步角）轉動(dòng)。轉動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。
2、三相步進(jìn)電機的步進(jìn)角度為7.5度，一圈360度，需要48個(gè)脈沖完成。
3、步進(jìn)電機具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。
4、改變脈沖的順序，可以方便的改變轉動(dòng)的方向。
因此，打印機、
繪圖儀、
機器人等設備都以步進(jìn)電機為動(dòng)力核心。
8測速方法
步進(jìn)電機是將脈沖信號轉換為角
步進(jìn)電機（圖10）
位移或線(xiàn)位移。
[1]
一是過(guò)載性好。其轉速不受負載大小的影響，不像普通電機，當負載加大時(shí)就會(huì )出現速度下降的情況，步進(jìn)電機使用時(shí)對速度和位置都有嚴格要求。
二是控制方便。步進(jìn)電機是以“步”為單位旋轉的，數字特征比較明顯。
三是整機結構簡(jiǎn)單。傳統的機械速度和位置控制結構比較復雜，調整困難，使用步進(jìn)電機后，使得整機的結構變得簡(jiǎn)單和緊湊。測速電機是將轉速轉換成電壓，并傳遞到輸入端作為反饋信號。測速電機為一種輔助型電機，在普通直流電機的尾端安裝測速電機，通過(guò)測速電機所產(chǎn)生的電壓反饋給直流電源，來(lái)達到控制直流電機轉速的目的。
9功能模塊設計
· 單片機系統：控制步進(jìn)電動(dòng)機；
· 外圍電路：PIC單片機和步進(jìn)電動(dòng)機的接口電路；
· PIC程序：編寫(xiě)單片機控制步進(jìn)電功機的接口程序，實(shí)現三角波信號的輸出功能。
（1）步進(jìn)電動(dòng)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(jìn)電機工作時(shí)，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(jìn)電機是工作在幾十V，甚至更高。一旦步進(jìn)電機的電壓串到單片機中，就會(huì )損壞單片機；步進(jìn)電機的信號會(huì )干擾單片機，也可能導致系統工作失誤，因此接口器件必須有隔離功能。
②信息傳遞功能。
接口部件應能夠把單片機的控制信息傳遞給步進(jìn)電機回路，產(chǎn)生工作所需的控制信息，對應于不同的工作方式，接口部件應能產(chǎn)生相應的工作控制波形。
③產(chǎn)生所需的不同頻率。
為了使步進(jìn)電機以不同的速度工作，以適應不同的目的，接口部件應能產(chǎn)生不同的工作頻率。
（2）電壓隔離接口。
電壓隔離接口專(zhuān)用于隔離低壓部分的單片機和高壓部分的步進(jìn)電機驅動(dòng)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，現在基本上是采用光電隔離器。單片機輸出信號可以通過(guò)TTL門(mén)電路或者直接送到晶體管的基極，再由晶體管驅動(dòng)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部的光敏管上，轉換成電信號，再去驅動(dòng)步進(jìn)電機的功率放大電路，電流放大接口是步進(jìn)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(jìn)行電流放大，以便向功放電路提供足夠大的驅動(dòng)電流。
（3）工作方式接口和頻率發(fā)生器。
用單片機控制步進(jìn)電動(dòng)機，需要在輸入輸出接口上用3條I/0線(xiàn)對步進(jìn)電動(dòng)機進(jìn)行控制，這時(shí)，單片機用I/O口的RA0、RAI、RA2控制步進(jìn)電動(dòng)機的三相。
10優(yōu)勢及缺陷
優(yōu)點(diǎn)
1、電機旋轉的角度正
步進(jìn)電機（圖11）
比于脈沖數；
2、電機停轉的時(shí)候具有最大的轉矩（當繞組激磁時(shí)）；
3、由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會(huì )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(dòng)的重復性；
4、優(yōu)秀的起停和反轉響應；
5、由于沒(méi)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、電機的響應僅由數字輸入脈沖確定，因而可以采用開(kāi)環(huán)控制，這使得電機的結構可以比較簡(jiǎn)單而且控制成本；
7、僅僅將負載直接連接到電機的轉軸上也可以極低速的同步旋轉；
8、由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉速范圍。
缺陷
1、如果控制不當容易產(chǎn)生共振；
2、難以運轉到較高的轉速；
3、難以獲得較大的轉矩；
4、在體積重量方面沒(méi)有優(yōu)勢，能源利用率低；
5、超過(guò)負載時(shí)會(huì )破壞同步，高速工作時(shí)會(huì )發(fā)出振動(dòng)和噪聲。
