步進(jìn)電機(jī) 　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 　　 　　步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，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(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 　　主要分類 　　步進(jìn)電機(jī)從其結(jié)構(gòu)形式上可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（Variable Reluctance，VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)Permanent Magnet，PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（Hybrid Stepping，HS）、單相步進(jìn)電機(jī)、平面步進(jìn)電機(jī)等多種類型，在我國所采用的步進(jìn)電機(jī)中以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為主。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能與控制方式有密切的關(guān)系，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)從其控制方式來看，可以分為以下三類：開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中一般歸類于開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)中。 　　反應(yīng)式：定子上有繞組、轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡單、成本低、步距角小，可達(dá)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(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機(jī)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(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，其定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對(duì)較高。 　　按定子上繞組來分，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(jī)，約占97%以上的市場(chǎng)份額，其原因是性價(jià)比高，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)器后效果良好。該種電機(jī)的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅(qū)動(dòng)器后，步距角減少為0.9°，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)器后其步距角可細(xì)分達(dá)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(jī)可配不同細(xì)分的驅(qū)動(dòng)器以改變精度和效果。 　　選擇方法 　　步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的選擇方法： 　　判斷需多大力矩：靜扭矩是選擇步 　　進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)之一。負(fù)載大時(shí)，需采用大力矩電機(jī)。力矩指標(biāo)大時(shí)，電機(jī)外形也大。 　　判斷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度：轉(zhuǎn)速要求高時(shí)，應(yīng)選相電流較大、電感較小的電機(jī)，以增加功率輸入。且在選擇驅(qū)動(dòng)器時(shí)采用較高供電電壓。 　　選擇電機(jī)的安裝規(guī)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(xì)分，需多少細(xì)分。 　　根據(jù)電機(jī)的電流、細(xì)分和供電電壓選擇驅(qū)動(dòng)器。 　　基本原理 　　工作原理 　　通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 　　發(fā)熱原理 　　通常見到的各類電機(jī)，內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線圈的。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，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)，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(xiàn)出來，從而影響電機(jī)的效率。步進(jìn)電機(jī)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(zhuǎn)速而變化，因而步進(jìn)電機(jī)普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機(jī)嚴(yán)重。 　　主要構(gòu)造 　　步進(jìn)電機(jī)也叫步進(jìn)器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能， 　　人們?cè)缭?0世紀(jì)20年代就開始使用這種電機(jī)。隨著嵌入式系統(tǒng)（例如打印機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、玩具、雨刷、震動(dòng)尋呼機(jī)、機(jī)械手臂和錄像機(jī)等）的日益流行，步進(jìn)電機(jī)的使用也開始暴增。不論在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、汽車還是娛樂業(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(jī)就一定能派上用場(chǎng)。步進(jìn)電機(jī)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：可變磁阻步進(jìn)電機(jī)和永磁步進(jìn)電機(jī)。 　　步進(jìn)電機(jī)是由一組纏繞在電機(jī)固定部件--定子齒槽上的線圈驅(qū)動(dòng)的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機(jī)中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。 　　步進(jìn)電機(jī)加減速過程控制技術(shù) 　　正因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的廣泛應(yīng)用，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制的研究也越來越多，在啟動(dòng)或加速時(shí)如果步進(jìn)脈沖變化太快，轉(zhuǎn)子由于慣性而跟隨不上電信號(hào)的變化，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或失步在停止或減速時(shí)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(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行升降速控制。 　　步進(jìn)電機(jī)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(shí)間上與脈沖同步。因而在轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運(yùn)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(jìn)電機(jī)是借助它的同步力矩而啟動(dòng)的，為了不發(fā)生失步，啟動(dòng)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(dòng)頻率和最高運(yùn)行頻率可能相差十倍之多。 　　步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)頻率特性使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不能直接達(dá)到運(yùn)行頻率，而要有一個(gè)啟動(dòng)過程，即從一個(gè)低的轉(zhuǎn)速逐漸升速到運(yùn)行轉(zhuǎn)速。停止時(shí)運(yùn)行頻率不能立即降為零，而要有一個(gè)高速逐漸降速到零的過程。 　　步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨著脈沖頻率的上升而下降，啟動(dòng)頻率越高，啟動(dòng)力矩就越小，帶動(dòng)負(fù)載的能力越差，啟動(dòng)時(shí)會(huì)造成失步，而在停止時(shí)又會(huì)發(fā)生過沖。要使步進(jìn)電機(jī)快速的達(dá)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(gè)運(yùn)行頻率下步進(jìn)電機(jī)所提供的力矩，又不能超過這個(gè)力矩。因此，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行一般要經(jīng)過加速、勻速、減速三個(gè)階段，要求加減速過程時(shí)間盡量的短，恒速時(shí)間盡量長。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點(diǎn)到終點(diǎn)運(yùn)行的時(shí)間要求最短，這就必須要求加速、減速的過程最短，而恒速時(shí)的速度最高。 　　國內(nèi)外的科技工作者對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度控制技術(shù)進(jìn)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(jì)開發(fā)了多種控制電路，改善了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性，推廣了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍指數(shù)加減速考慮了步進(jìn)電機(jī)固有的矩頻特性，既能保證步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)動(dòng)中不失步，又充分發(fā)揮了電機(jī)的固有特性，縮短了升降速時(shí)間，但因電機(jī)負(fù)載的變化，很難實(shí)現(xiàn)而線性加減速僅考慮電機(jī)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(dòng)而變化的特性，這種升速方法的加速度是恒定的，其缺點(diǎn)是未充分考慮步進(jìn)電機(jī)輸出力矩隨速度變化的特性，步進(jìn)電機(jī)在高速時(shí)會(huì)發(fā)生失步。 　　步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制 　　步進(jìn)電機(jī)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(yùn)行拍數(shù)決定，但轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運(yùn)行拍數(shù)是有限的，因此步進(jìn)電機(jī)的步距角一般較大并且是固定的，步進(jìn)的分辨率低、缺乏靈活性、在低頻運(yùn)行時(shí)振動(dòng)，噪音比其他微電機(jī)都高，使物理裝置容易疲勞或損壞。這些缺點(diǎn)使步進(jìn)電機(jī)只能應(yīng)用在一些要求較低的場(chǎng)合，對(duì)要求較高的場(chǎng)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(diǎn)嚴(yán)重限制了步進(jìn)電機(jī)作為優(yōu)良的開環(huán)控制組件的有效利用。細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)在一定程度上有效地克服了這些缺點(diǎn)。 　　步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合使用性能的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。年美國學(xué)者、首次在美國增量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及器件年會(huì)上提出步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分的控制方法。在其后的二十多年里，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)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(duì)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究，起步時(shí)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(jī)器人、精密測(cè)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(dá)等設(shè)備，細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得電機(jī)的相數(shù)不受步距角的限制，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來了方便。目前在步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)上，采用斬波恒流驅(qū)動(dòng)，儀脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)、電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)控制止，，幾大大提高步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行運(yùn)轉(zhuǎn)精度，使步進(jìn)電機(jī)在中、小功率應(yīng)用領(lǐng)域向高速且精密化的方向發(fā)展。 　　最初，對(duì)步進(jìn)電機(jī)相電流的控制是由硬件來實(shí)現(xiàn)的，通常采用兩種方法，采用多路功率開關(guān)電流供電，在繞組上進(jìn)行電流疊加，這種方法使功率管損耗少，但由于路數(shù)多，所以器件多，體積大。 　　先對(duì)脈沖信號(hào)疊加，再經(jīng)功率管線性放大，獲得階梯形電流，優(yōu)點(diǎn)是所用器件少，但功率管功耗大，系統(tǒng)功率低，如果管子工作在非線性區(qū)會(huì)引起失真、由于本身不可克服的缺點(diǎn)，因此目前已很少采用這兩類方法。 　　如何避免步進(jìn)電機(jī)的失步 　　步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)。在未發(fā)生失步情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)并不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，電機(jī)就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度（步進(jìn)角或步距角），通過控制脈沖數(shù)和脈沖頻率來控制電機(jī)角位移量及電機(jī)轉(zhuǎn)速從而達(dá)到精確的開環(huán)控制。另外，步進(jìn)電機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)過的角度與理論步距之間總有一定的誤差，從某一步到任何一步，也總有一定的誤差，但是，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不失步的情況下，其步距誤差不會(huì)長期累積。 　　 　　上面提到的都是在不失步的情況，如何才能避免失步呢？首先我們需要知道造成電機(jī)失步的因素： 　　1、轉(zhuǎn)子加速度慢于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng); 　　2、轉(zhuǎn)子的平均速度高于定子磁場(chǎng)的平均旋轉(zhuǎn)速度; 　　3、電機(jī)負(fù)載慣性較大; 　　4、步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生共振。 　　轉(zhuǎn)子加速度慢于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)即轉(zhuǎn)子速度低于換相速度時(shí)，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生失步，這是因?yàn)檩斎腚姍C(jī)的電能不足，產(chǎn)生的力矩?zé)o法使轉(zhuǎn)子速度跟上定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，從而引起失步。轉(zhuǎn)子平均速度高于定子磁場(chǎng)平均旋轉(zhuǎn)速度，這是定子通電勵(lì)磁的時(shí)間較長，大于步進(jìn)所需的時(shí)間，轉(zhuǎn)子在步進(jìn)過程中獲得過多的能量，導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩過大從而引起電機(jī)越步。 　　 　　以上導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步的原因?qū)嵸|(zhì)是步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器選擇不當(dāng)而導(dǎo)致，只有選擇正確合適的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器才能使步進(jìn)電機(jī)發(fā)揮其控制精確的優(yōu)勢(shì)。選擇合適的驅(qū)動(dòng)器需要根據(jù)電機(jī)的電流，配用大于或等于此電流的驅(qū)動(dòng)器。如果需要低振動(dòng)或高精度時(shí)，可配用細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于大轉(zhuǎn)矩電機(jī)，盡可能用高電壓型驅(qū)動(dòng)器，以獲得良好的高速性能。同時(shí)對(duì)于驅(qū)動(dòng)電源，很多人直接使用開關(guān)電源作為驅(qū)動(dòng)電源，但是，一般最好不要使用開關(guān)電源，特別是大力矩電機(jī)，除非選用比需要的功率大一倍以上的開關(guān)電源。因?yàn)?，電機(jī)工作時(shí)是大電感型負(fù)載，會(huì)對(duì)電源端形成瞬間的高壓。而開關(guān)電源的過載性能不好，會(huì)保護(hù)關(guān)斷，且其精密的穩(wěn)壓性能又不需要，有時(shí)可能造成開關(guān)電源和驅(qū)動(dòng)器的損壞。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，可以用常規(guī)的環(huán)形或R 型變壓器變壓的直流電源。 　　 　　步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生共振是因?yàn)殡姍C(jī)接收的脈沖頻率等于步進(jìn)電機(jī)的固有頻率，該頻率與驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分有關(guān)系。我們一般使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分能力很重要，共振范圍越小越好。對(duì)于電機(jī)負(fù)載慣性較大是由于電機(jī)超載而引起，因此在使用時(shí)只需注意不要讓電機(jī)過載即可避免。