步進電機

步進電機簡介

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)控制電機，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?？梢酝ㄟ^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。

步進電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。

雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能像普通的直流電機，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。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。

步進電機百科

　　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)控制電機，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?？梢酝ㄟ^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。

　　步進電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。

　　雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能像普通的直流電機，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。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。

　　基本原理

　　工作原理

　　通常電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。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，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉(zhuǎn)動。

　　發(fā)熱原理

　　通常見到的各類電機，內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會產(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，還會產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場中也會產(chǎn)生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關(guān)，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來，從而影響電機的效率。步進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(zhuǎn)速而變化，因而步進電機普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機嚴(yán)重。

　　主要構(gòu)造

　　步進電機也叫步進器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，人們早在20世紀(jì)20年代就開始使用這種電機。隨著嵌入式系統(tǒng)（例如打印機、磁盤驅(qū)動器、玩具、雨刷、震動尋呼機、機械手臂和錄像機等）的日益流行，步進電機的使用也開始暴增。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位置移動到另一個位置，步進電機就一定能派上用場。步進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：可變磁阻步進電機和永磁步進電機。

　　步進電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線圈驅(qū)動的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。

　　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、電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動控制止，，幾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。

　　最初，對步進電機相電流的控制是由硬件來實現(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。

　　先對脈沖信號疊加，再經(jīng)功率管線性放大，獲得階梯形電流，優(yōu)點是所用器件少，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)會引起失真、由于本身不可克服的缺點，因此目前已很少采用這兩類方法。

　　步進電機與伺服電機的區(qū)別

　　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個數(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)動步進電機安設(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?？梢酝ㄟ^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，從而達到高速的目的。 伺服電機又稱執(zhí)行電機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把收到的電信號轉(zhuǎn)換成電機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）也就是說伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，它每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣伺服驅(qū)動器和伺服電機編碼器的脈沖形成了呼應(yīng)，所以它是閉環(huán)控制，步進電機是開環(huán)控制。

　　步進電機和伺服電機的區(qū)別在于：

　　1、控制精度不同。步進電機的相數(shù)和拍數(shù)越多，它的精確度就越高，伺服電機取塊于自帶的編碼器，編碼器的刻度越多，精度就越高。

　　2、控制方式不同；一個是開環(huán)控制，一個是閉環(huán)控制。

　　3、低頻特性不同；步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，當(dāng)它工作在低速時一般采用阻尼技術(shù)或細分技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點便于系統(tǒng)調(diào)整。

　　4、矩頻特性不同；步進電機的輸出力矩會隨轉(zhuǎn)速升高而下降，交流伺服電機為恒力矩輸出，

　　5、過載能力不同；步進電機一般不具有過載能力，而交流電機具有較強的過載能力。

　　6、運行性能不同；步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

　　7、速度響應(yīng)性能不同；步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒，而交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，一般只需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。 綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機，但是價格比就不一樣了。

　　步進電機驅(qū)動器接線方法

　　總結(jié)了以下幾種步進電機驅(qū)動器接線方法，具體分有兩種方式介紹如下：

　　方法/步驟

　　共陽極接法，共陰檢接法和差分方式接法

　　共陽極接法

　　共陰極接法

　　差分方式接法

　　6和8線電機接線方法：

　　4線電機和6線電機高速度模式：輸出電流設(shè)成等于或略小于電機額定電流值；

　　6線電機高力矩模式：輸出電流設(shè)成電機額定電流的0.7倍；

　　8線電機并聯(lián)接法：輸出電流應(yīng)設(shè)成電機單極性接法電流的1.4倍；

　　8線電機串聯(lián)接法：輸出電流應(yīng)設(shè)成電機單極性接法電流的0.7倍。