1、步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)一一來(lái)自百 度百科步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn) 位移的開(kāi)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(chēng)為 步距角，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一 步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)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(guò)控 制脈沖頻率來(lái)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

2、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(zhuān)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(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域 都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)又稱(chēng)為 脈沖電機(jī)，基于最基本的電磁 鐵原理，它是

3、一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵，其動(dòng)作 原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。年 前后開(kāi)始以控制為目的的嘗試，應(yīng)用于氫弧燈的 電極輸送機(jī)構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進(jìn)電機(jī)。 二十世紀(jì)初，在電話(huà)自動(dòng)交換機(jī)中廣泛使用了步 進(jìn)電機(jī)。由于西方資本主義列強(qiáng)爭(zhēng)奪殖民地 ，步 進(jìn)電機(jī)在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨(dú)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(jìn)電機(jī)上，對(duì)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(jià)的微型計(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn) 電機(jī)的控制方式更加靈活多樣。步進(jìn)電機(jī)相對(duì)于其它控制用途電機(jī)的最大區(qū) 別是,它接收數(shù)字控制信號(hào)電脈沖信號(hào)并轉(zhuǎn)化成 與之相對(duì)應(yīng)的角

4、位移或直線(xiàn)位移，它本身就是一 個(gè)完成數(shù)字模式轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件。而且它可開(kāi)環(huán) 位置控制，輸入一個(gè)脈沖信號(hào)就得到一個(gè)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(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與輸入的脈 沖個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，而且在時(shí)間上與脈沖同步。 因而只要控制脈沖的數(shù)量、頻率和電機(jī)繞組的相 序，即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度和方向。我國(guó)的步進(jìn)電機(jī)在二十世紀(jì)七十年代初開(kāi)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(jī)不斷開(kāi)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)在眾多領(lǐng)域得到 了廣

5、泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)及發(fā)展概況作為一種控制用的特種電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)無(wú)法直 接接到直流或交流電源上工作，必須使用專(zhuān)用的 驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。在微電子技術(shù)，特別 計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展以前，控制器脈沖信號(hào)發(fā)生器完 全由硬件實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)采用單獨(dú)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(jì)電路。這就使得需要針對(duì)不同 的電機(jī)開(kāi)發(fā)不同的驅(qū)動(dòng)器，開(kāi)發(fā)難度和開(kāi)發(fā)成本 都很高，控制難度較大，限制了步進(jìn)電機(jī)的推廣。由于步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)把電脈沖轉(zhuǎn)換成離散的 機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，具有很好的數(shù)據(jù)控制特性，因此, 計(jì)算機(jī)成為步進(jìn)電機(jī)的理想驅(qū)動(dòng)源，隨著

6、微電子 和計(jì)算機(jī)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(guò)程序產(chǎn)生控制脈沖，驅(qū)動(dòng)硬件電 路。單片機(jī)通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，更好地挖 掘出了電機(jī)的潛力。因此，用單片機(jī)控制步進(jìn)電 機(jī)已經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)，也符合數(shù)字化的 時(shí)代趨勢(shì)。主要分類(lèi)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(lèi)型，在我國(guó)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)

7、控制系統(tǒng)從其 控制方式來(lái)看,可以分為以下三類(lèi)：開(kāi)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(lèi)于開(kāi)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(jiǎn)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)

8、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(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(jī)， 約 占97%以上的市場(chǎng)份額，其原因是性?xún)r(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)

9、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)0步進(jìn)電機(jī)（圖3）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(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(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

10、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(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)熱原理通常見(jiàn)到的各類(lèi)電機(jī)，內(nèi)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(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(lái)，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

11、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(kāi)始使用這種電 機(jī)。隨著嵌入式系統(tǒng)（例如打印機(jī)、磁盤(pán)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(kāi)始暴增。不論 在工業(yè)、軍事、醫(yī)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(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(lèi)：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(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)的

12、。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(jī)中，繞在齒 上的金屬絲則叫做繞組、線(xiàn)圈、或相。步進(jìn)電機(jī)加減速過(guò)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(lái)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

13、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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)沖，其關(guān)鍵在于使加速過(guò)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

14、供的力矩，又不能超過(guò)這個(gè)力 矩。因此，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行一般要經(jīng)過(guò)加速、勻 速、減速三個(gè)階段，要求加減速過(guò)程時(shí)間盡量的 短，恒速時(shí)間盡量長(zhǎng)。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(guò)程最短，而恒速時(shí)的速 度最高。國(guó)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(xiàn)性模型等，并在此基礎(chǔ) 上設(shè)計(jì)開(kāi)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)

15、載的變化， 很難實(shí)現(xiàn)而線(xiàn)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 咼速時(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

16、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(kāi)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(lái) 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)。美國(guó)學(xué)者首次在美國(guó)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(guó)對(duì)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究，起 步時(shí)間與國(guó)外相差無(wú)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)

17、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(lái)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”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(lái)實(shí) 現(xiàn)的，通常采用兩種方法，采用多路功率開(kāi)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(xiàn)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(xiàn)性區(qū)會(huì)引起 失真、由于本身

18、不可克服的缺點(diǎn)，因此目前已很 少采用這兩類(lèi)方法。指標(biāo)術(shù)語(yǔ)靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)1相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極 N、S磁場(chǎng)的激磁線(xiàn) 圈對(duì)數(shù)。常用m表示。2、拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)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(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距 角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn) 行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方 式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。3、步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 過(guò)的角位移用B表示。e =36（度/ （轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運(yùn) 行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī) 為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為 e =36（度/ （50*4） =1.8度（俗稱(chēng)整步），八拍運(yùn)行時(shí)步

19、距角為e =360 度/ （50*8） =0.9度（俗稱(chēng)半步）。4、定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn) 子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械 誤差造成的）。5、靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電壓作用下，電 機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力 矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電 源等無(wú)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(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(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。動(dòng)態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)1步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)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(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍

20、運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以 內(nèi)。2、失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理 論上的步數(shù)。稱(chēng)之為失步。3、失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線(xiàn)偏移定子齒軸線(xiàn)的角 度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤 差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。4、最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)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(dòng)的最大頻率。5、最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形 式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn) 速頻率。6、運(yùn)行矩頻特性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線(xiàn)稱(chēng)為運(yùn)行 矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)中最重要的， 也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。其它特性還有慣頻特

21、 性、起動(dòng)頻率特性等。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力 矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電 流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電 機(jī)的頻率特性越硬。要使平均電流大，盡可能提 高驅(qū)動(dòng)電壓，采用小電感大電流的電機(jī)。7、電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高， 電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共 振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大， 不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng) 偏移共振區(qū)較多。8電機(jī)正反轉(zhuǎn)

22、控制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)锳B-BC-CD-DA 或()時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)?DA-CD-BC-AB 或()時(shí)為反轉(zhuǎn)。特點(diǎn)特性主要特點(diǎn)1、一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3-5%， 且不累積。2、步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)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(jī)外表允許的最 高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)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(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電 機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3、步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高

23、，反向電動(dòng)勢(shì)越 大。在它的作用下，電機(jī)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(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，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(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率， 即步進(jìn)電機(jī)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(jī)不能正常啟 動(dòng)，可能發(fā)生失步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下， 啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)， 脈沖頻率應(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?低速升到高速）。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造 時(shí)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(jìn)電機(jī)本身技術(shù)

24、的提高， 步進(jìn)電 機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。主要特性1、步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)信 號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒(méi)有脈沖的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī) 靜止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)，就會(huì)以一定的 角度（稱(chēng)為步角）轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻 率成正比。2、三相步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(zhuǎn)動(dòng)的 方向。因此，打印機(jī)、繪圖儀、機(jī)器人等設(shè)備都以 步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力核心。步進(jìn)電機(jī)控制策略1 PID控制PID控制作為一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的控制方法，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。它根據(jù)給 定值r( t)與

25、實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差 e( t),將偏差的比例、積分和微分通過(guò)線(xiàn)性組 合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。文獻(xiàn)將 集成位置傳感器用于二相混合式步進(jìn)電機(jī)中，以位置檢測(cè)器和矢量控制為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出了一 個(gè)可自動(dòng)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(mǎn)意的瞬態(tài)特性。文獻(xiàn)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了步進(jìn)電 機(jī)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(jī)向指定位置運(yùn)動(dòng)。最后， 通過(guò)仿真驗(yàn)證了該控制具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特 性。采用PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性 強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但是它無(wú)法有效應(yīng)對(duì)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

26、 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(dòng)辨識(shí)被控過(guò)程參數(shù)，自動(dòng)整定 控制參數(shù)，適應(yīng)被控過(guò)程參數(shù)的變化，同時(shí)又 具有常規(guī)PID控制器的特點(diǎn)。2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(lái) 的自動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)分支。它是隨著控制對(duì) 象的復(fù)雜化，當(dāng)動(dòng)態(tài)特性不可知或發(fā)生不可預(yù) 測(cè)的變化時(shí)，為得到高性能的控制器而產(chǎn)生 的。其主要優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)和自適應(yīng)速度快，能有效地克服電機(jī)模型參數(shù)的緩慢變化所引起 的影響，是輸出信號(hào)跟蹤參考信號(hào)。文獻(xiàn)研究 者根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的線(xiàn)性或近似線(xiàn)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(lài)于電機(jī)模型

27、參數(shù)。文獻(xiàn)將閉環(huán)反饋 控制與自適應(yīng)控制結(jié)合來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速 度，通過(guò)反饋和自適應(yīng)處理，按照優(yōu)化的升降 運(yùn)行曲線(xiàn)，自動(dòng)地發(fā)出驅(qū)動(dòng)的脈沖串，提高了 電機(jī)的拖動(dòng)力矩特性，同時(shí)使電機(jī)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(xiàn) 設(shè)計(jì)的魯棒自適應(yīng)低速伺服控制器，確保了轉(zhuǎn) 動(dòng)脈矩的最大化補(bǔ)償及伺服系統(tǒng)低速高精度的 跟蹤控制性能。文獻(xiàn)實(shí)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(guò)模糊推理在線(xiàn)調(diào)整PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的自適應(yīng)控制，從而有效地提高系統(tǒng)的響 應(yīng)時(shí)間、計(jì)算精度和抗干擾性。3矢量控制矢量控制

28、是現(xiàn)代電機(jī)高性能控制的理論基 礎(chǔ)，可以改善電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制性能。它通過(guò)磁 場(chǎng)定向?qū)⒍ㄗ与娏鞣譃閯?lì)磁分量和轉(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(jìn)電機(jī)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(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非線(xiàn)性較一般電機(jī)嚴(yán)重 得多，所以它的矢量控制也較為復(fù)雜。文獻(xiàn)8推導(dǎo)出了二相混合式步進(jìn)電機(jī)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(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與i q成正比，用PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)了矢量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用傳感器檢 測(cè)電機(jī)的繞組電流和轉(zhuǎn)自位置 ，用PWM方式 控制電機(jī)繞組電流

29、。文獻(xiàn)推導(dǎo)出基于磁網(wǎng)絡(luò)的 二相混合式步進(jìn)電機(jī)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(duì)系統(tǒng)中的不確定因素進(jìn)行實(shí) 時(shí)補(bǔ)償，通過(guò)最大轉(zhuǎn)矩/電流矢量控制實(shí)現(xiàn)電機(jī) 的高效控制。4智能控制的應(yīng)用智能控制不依賴(lài)或不完全依賴(lài)控制對(duì)象的數(shù) 學(xué)模型，只按實(shí)際效果進(jìn)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(jìn)電機(jī)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 。4.1模糊控制模糊控制就是在被控制對(duì)象的模糊模型的基 礎(chǔ)上，運(yùn)用模糊控制器的近似推理等手段，實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)控制的方法。作為一種直接模擬

30、人類(lèi)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(wú)須精 確的數(shù)學(xué)模型，具有較強(qiáng)的魯棒性、自適應(yīng) 性，因此適用于非線(xiàn)性、時(shí)變、時(shí)滯系統(tǒng)的 控制。文獻(xiàn)16給出了模糊控制在二相混合式 步進(jìn)電機(jī)速度控制中應(yīng)用實(shí)例 。系統(tǒng)為超前角 控制，設(shè)計(jì)無(wú)需數(shù)學(xué)模型，速度響應(yīng)時(shí)間短。4.2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)?結(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(xiàn)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(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)性，因 而在步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)最佳細(xì)分電流，在學(xué)習(xí)中使用Bay es正則化算

31、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(diǎn) 有效解決了等步距角細(xì)分問(wèn)題 。測(cè)速方法步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線(xiàn)位 移。一是過(guò)載性好。其轉(zhuǎn)速不受負(fù)載大小的影響， 不像普通電機(jī)，當(dāng)負(fù)載加大時(shí)就會(huì)出現(xiàn)速度下降 的情況，步進(jìn)電機(jī)使用時(shí)對(duì)速度和位置都有嚴(yán)格 要求。二是控制方便。步進(jìn)電機(jī)是以 步”為單位旋 轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯。三是整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)的機(jī)械速度和位置 控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)整困難，使用步進(jìn)電機(jī)后， 使得整機(jī)的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單和緊湊。測(cè)速電機(jī)是將 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓，并傳遞到輸入端作為反饋信 號(hào)。測(cè)速電機(jī)為一種輔助型電機(jī)，在普通直流電 機(jī)的尾端安裝測(cè)速電機(jī)，通過(guò)測(cè)速電機(jī)所產(chǎn)生的

32、 電壓反饋給直流電源，來(lái)達(dá)到控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 的目的。功能模塊設(shè)計(jì)本模塊可分為如下3個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)：控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；外圍電路：PIC單片機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的接口 電路；PIC程序：編寫(xiě)單片機(jī)控制步進(jìn)電功機(jī)的接 口程序，實(shí)現(xiàn)三角波信號(hào)的輸出功能。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與單片機(jī)的接口。單片機(jī)是性能極佳的控制處理器，在控制步 進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，接口部件必須要有下列功能。電壓隔離功能單片機(jī)工作在5V，而步進(jìn)電機(jī)是工作在幾十 V，甚至更高。一旦步進(jìn)電機(jī)的電壓串到單片機(jī) 中，就會(huì)損壞單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)會(huì)干擾單 片機(jī)，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。信息傳遞功能。接口部件應(yīng)能夠把單片機(jī)的控制信息傳

33、遞給 步進(jìn)電機(jī)回路，產(chǎn)生工作所需的控制信息，對(duì)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。產(chǎn)生所需的不同頻率。為了使步進(jìn)電機(jī)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(zhuān)用于隔離低壓部分的單片機(jī) 和高壓部分的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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，基本上是采用光電隔離器。單片機(jī)輸出信號(hào) 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(qū)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(nèi)部的光 敏管上，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的功 率放大電路，電流

34、放大接口是步進(jìn)電機(jī)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(hào)進(jìn)行電流放大，以便向功放電路提供足夠 大的驅(qū)動(dòng)電流。（3）工作方式接口和頻率發(fā)生器。用單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，需要在輸入輸出 接口上用3條I/O線(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，這 時(shí)，單片機(jī)用I/O 口的RAO、RAI、RA2控制步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)的三相。優(yōu)勢(shì)及缺陷優(yōu)點(diǎn)1電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；2、電機(jī)停轉(zhuǎn)的時(shí)候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當(dāng)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(yùn)動(dòng)的重復(fù)性；4、優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；5、由于沒(méi)有電刷，可靠性較高，因此電機(jī)的 壽命僅

35、僅取決于軸承的壽命；6、電機(jī)的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而 可以采用開(kāi)環(huán)控制，這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以比較 簡(jiǎn)單而且控制成本；7、僅僅將負(fù)載直接連接到電機(jī)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(yùn)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(méi)有優(yōu)勢(shì)，能源利用率低；5、超過(guò)負(fù)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。驅(qū)動(dòng)方法步進(jìn)電機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源 上工作，而必須使用專(zhuān)用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器， 它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單 元等組成。驅(qū)動(dòng)單元與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接耦合， 也 可理解成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微機(jī)控制器的功率接口。驅(qū)動(dòng)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(dòng)勢(shì)，加快電流衰減。2、具有較高韻功率及效率。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把