步進電機基礎知識

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機，是現代數字程序控制系統中的主要執行元件，應用極為廣泛。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

步進電機是一種感應電機，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用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。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知識。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。

步進電機概述

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的電磁鐵,其動作原理是依靠氣隙磁導的變化來產生電磁轉矩。其原始模型是起源于年至年間。年前后開始以控制為目的的嘗試,應用于氫弧燈的電極輸送機構中。這被認為是最初的步進電機。二十世紀初,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中得到了廣泛的使用。二十世紀五十年代后期晶體管的發明也逐漸應用在步進電機上,對于數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出現,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別是,它接收數字控制信號電脈沖信號并轉化成與之相對應的角位移或直線位移,它本身就是一個完成數字模式轉化的執行元件。而且它可開環位置控制,輸入一個脈沖信號就得到一個規定的位置增量,這樣的所謂增量位置控制系統與傳統的直流控制系統相比,其成本明顯減低,幾乎不必進行系統調整。步進電機的角位移量與輸入的脈沖個數嚴格成正比,而且在時間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數量、頻率和電機繞組的相序,即可獲得所需的轉角、速度和方向。

我國的步進電機在二十世紀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展階段,新品種和高性能電機不斷開發,目前,隨著科學技術的發展,特別是永磁材料、半導體技術、計算機技術的發展,使步進電機在眾多領域得到了廣泛應用。

步進電機控制技術及發展概況

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,必須使用專用的驅動電源步進電機驅動器。在微電子技術,特別計算機技術發展以前,控制器脈沖信號發生器完全由硬件實現,控制系統采用單獨的元件或者集成電路組成控制回路,不僅調試安裝復雜,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計電路。這就使得需要針對不同的電機開發不同的驅動器,開發難度和開發成本都很高,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換成離散的機械運動的裝置,具有很好的數據控制特性,因此,計算機成為步進電機的理想驅動源,隨著微電子和計算機技術的發展,軟硬件結合的控制方式成為了主流,即通過程序產生控制脈沖,驅動硬件電路。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成為了一種必然的趨勢,也符合數字化的時代趨。

主要分類

步進電機從其結構形式上可分為反應式步進電機（Variable Reluctance，VR）、永磁式步進電機Permanent Magnet,PM）、混合式步進電機（Hybrid Stepping,HS）、單相步進電機、平面步進電機等多種類型,在我國所采用的步進電機中以反應式步進電機為主。步進電機的運行性能與控制方式有密切的關系,步進電機控制系統從其控制方式來看,可以分為以下三類：開環控制系統、閉環控制系統、半閉環控制系統。半閉環控制系統在實際應用中一般歸類于開環或閉環系統中。

反應式：定子上有繞組、轉子由軟磁材料組成。結構簡單、成本低、步距角小，可達1.2°、但動態性能差、效率低、發熱大，可靠性難保證。

永磁式：永磁式步進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。其特點是動態性能好、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：混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優點，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小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態性能好，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電機，約占97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細分驅動器后效果良好。該種電機的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅動器后，步距角減少為0.9°，配上細分驅動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，實際控制精度略低。同一步進電機可配不同細分的驅動器以改變精度和效果。