步进电机

步进电机又称脉冲电机，它是一种感应电机，涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

什么是步进电机

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。其将电脉冲信号转变为角位移或线位移，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。

步进电机控制系统由步进电机控制器、步进电机驱动器、步进电机三部分组成，步进电机控制器是指挥中心，它发出信号脉冲给步进电机驱动器，而步进电机驱动器把接收到信号脉冲脉冲转化为电脉冲,驱动步进电机转动，控制器每发出一个信号脉冲，步进电机就旋转一个角度,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。控制器可以通过控制脉冲数量来控制步进电机的旋转角度，从而准确定位。通过控制脉冲频率精确控制步进电机的旋转速度。

步进电机的结构及工作原理

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。

每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

我们一般用的步进电机是这样的：

结构图一般是这样的：

那么这个AC，BD代表什么呢？步进电机又为什么具有以上的那些特点呢？这就要从步进电机的特殊结构说起。先上一个步进电机内部的结构示意图：

先从这个简单的图分析原理，图中有两组绕组A A-，B B-，可以看出他们分别形成的磁场是相反的，位置也是相对的。这2组绕组对应真实图中的AC和BD。

定子为铁芯，A A-，B B-绕在铁芯上，通电之后产生磁场变成电磁铁，转子为永磁体，磁场将对转自产生吸引或者排斥。

左上图A A-吸引转子，使得转子竖直（此时只有A A-通电）当B B-也通电后，B B-也产生磁场，此时转自将像A B中间区域偏转，具体偏转角度跟A B上电流大小比例有关。

左下图此时A A-断电，B B-继续通电，则转子被吸引到水平位置。

右下图此时A A-反向通电，B B-继续通电，则转自顺时针旋转，重复以上过程，则转子可以进行旋转运动，并控制通电的时机以及顺序，便可以达到控制步进电机旋转角度。

定子铁心：定子铁心为凸极结构，由硅钢片迭压而成。在面向气隙的定子铁心表面有齿距相等的小齿。

定子绕组：定子每极上套有一个集中绕组，相对两极的绕组串联构成一相。步进电动机可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。

转子：转子上只有齿槽没有绕组，系统工作要求不同，转子齿数也不同。定转子齿形相同。

原理

当步进电机切换一次定子绕组的激磁电流时，转子就旋转一个固定角度即步距角。步距角一般由切换的相电流产生的旋转力矩得到，所以需要每相极数是偶数。步进电机通常都为两相以上的，当然也有一些特殊的只有一个线圈的单相步进电机。虽说单相，实为一个线圈产生的磁通方向交互反转而驱动转子转动。实用的步进电机的相数有单相、两相、三相、四相、五相。

现在使用的步进电机大部分用永磁转子。普遍使用永久磁铁的原因是效率高，分辨率高等优点。以下以介绍永磁转子为主。

决定步距角的因素

步进电机分辨率（一圈的步数，360°除以步距角）越高，位置精度越高。为了得到高分辨率，设计的极数要多。PM型转子为N与S极在转子的铁心外表面上交互等节距放置，转子极数为N极与S极数之和，为简化讲解，假设极对数为1。此处确定转子为永久磁铁的步进电机的步距角θs由下式表示，其中Nr为转子极对数，P为定子相数，θs=180°/PNr上式的物理含义如下：

转子旋转一周的机械角度为360。,如用极数2Nr去除，相当于一个极所占的机械角度即180°/Nr。这就是说，一个极的机械角度用定子相数去分割就得到步距角，此概念如下图所示。

由式θs=180°/PNr可知，步距角越小，分辨率越高，因此要提高步进电机的分辨率，就要增加转子极对数或采用定子相数P较多的多相式方法。而Nr的增加受到机械加工的限制，所以要制造高分辨率的步进电机需要两种方法并用才行。 公式如下：

驱动器原理

步进电机需要使用专用的步进电机驱动器驱动，驱动器由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。功率驱动单元将脉冲发生控制单元生成的脉冲放大，与步进电机直接耦合，属于步进电机与微控制器的功率接口。

控制指令单元，接收脉冲与方向信号，对应的脉冲发生控制单元对应生成一组相应相数的脉冲，经过功率驱动单元后送到步进电机，步进电机在对应方向上转过一个步距角。  驱动器的脉冲给定方式决定了步进电机运行方式，如下：

（1）m相单m拍运行

（2）m相双m拍运行

（3）m相单、双m拍运行

（4）细分驱动，需要驱动器给出不同幅值的驱动信号

步进电机有一些重要的技术数据，如最大静转矩、起动频率、运行频率等。一般来说步距角越小，电机最大静转矩越大，则起动频率和运行频率越高，所以运行方式中强调了细分驱动技术，该方式提高了步进电机的转动力矩和分辨率，完全消除了电机的低频振荡。所以细分驱动器驱动性能优与其他类型驱动器。

步进电机的种类

目前常用的有三种步进电机：

(1)反应式步进电机(VR)。反应式步进电机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。

(2)永磁式步进电机(PM)。永磁式步进电机出力大，动态性能好；但步距角大。

(3)混合式步进电机(HB)。混合式步进电机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。

反应式步进电机

反应式步进电机（VR），是一种传统的步进电机，由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动。

反应式步进电机工作原理比较简单，转子上均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。

永磁步进电机

永磁式步进电机（PM），是由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动的一种设备。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度，对7.5度步矩而言，典型的极数为24。电机里有转子和定子两部分：可以是定子是线圈，转子是永磁铁；也可以是定子是永磁铁，转子是线圈。

在这种电机里，定子齿或爪极由在定子线圈里流过的电流产生不同极性的磁场。若两个定子段里的转子磁化状态是对齐的，则两段里的定子齿将错开l／4齿距。观看A段里转子磁极和定子齿的位置关系。因为B段里的定子齿相对A段里的齿错开l／4齿距，故转子将在同一方向进一步受到驱动。

比如当电机的转子为永磁体，电流流过定子绕组时，定子绕组会产生一矢量磁场。磁场就会带动转子旋转一个角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。

转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。若改变绕组通电的顺序，电机就会反转。因此可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

混合式步进电机

混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相、三相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度，混合式步进电机随着相数（通电绕组数）的增加，步进角减小，精度提高，这种步进电机的应用最为广泛。

性能：

a. 控制精度：步进电机的相数和拍数越多，它的精确度就越高。

b. 低频特性：步进电机在低速时易出现低频振动现象，当它工作在低速时一般采用阻尼技术或细分技术来克服低频振动现象。

c. 矩频特性：步进电机输出力矩随转速的升高而下降，高速时会急剧下降。

d. 过载能力：步进电机不具备过载能力。

e. 运行性能：步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲现象。

f. 速度响应性能：步进电机从静止加速到工作转速需要上百毫秒。

步进电机和伺服电机的区别

上面介绍那么多关于步进电机的知识，大家是不是感觉跟我们前几期介绍过的伺服电机功能上是否很相似呢，这里小编为您答疑解惑。

步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。

为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在位置控制方式上十分相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。

步进电机的一些应用

1、包装机械中的应用

步进电机控制齿轮泵也可以实现精确计量。齿轮泵在输送粘稠体方面得到了广泛的应用，例如糖浆、豆沙、白酒、油料、番茄酱等的输送。

齿轮泵计量是靠一对齿轮啮合转动计量的，物料通过齿与齿的空间被强制从进料口送到出料口。动力来自步进电机，步进电机转动的位置及速度由可编程控制器控制，计量精度高于活塞泵的计量精度。

步进电机适于在低速下运行，当速度加快时，步进电机的噪声会明显加大，其它经济指标会显著下降。对于转速比较高的齿轮泵来说，选用升速结构比较好。我们在粘稠体包装机上开始采用的是步进电机直联齿轮泵的结构，结果噪声难以避免，可靠性下降。

后来采用直齿轮升速的办法，降低了步进电机的速度，噪声得到了控制，可靠性也有所提高，计量度得到了保证。

在制袋、充填、封口为一体的包装机中，要求包装用塑料薄膜定位定长供给，无论间歇供给还是连续供给，都可以用步进电机来可靠完成。采用步进电机与拉带滚轮直接连接拉带，不仅结构得到了简化，而且调节极为方便，只要通过控制面板上的按钮就可以实现，这样既节省了调节时间，又节约了包装材料。

在间歇式包装机中，包装材料的供送控制可以采用两种模式：袋长控制模式和色标控制模式 。袋长控制模式适用于不带色标的包装膜，通过预先设定步进电机转速的方法实现，转空比的设定通过拨码开关就可以实现。

色标模式配备有光电开关，光电开关检测色标的位置，当检测到色标时，发出控制开关信号，步进电机接到信号后，停止转动，延时一定时间后，再转动供膜，周而复始，保证按照色标的位置定长供膜。

横封轮每转一周的总时间与横封所需要的时间都是恒定的，要满足速度同步的要求，可以将步进电机一周内的转速分成两部分，一部分首先满足速度同步的要求，而另外空载的部分满足一周总时间的要求。为了实现良好的封口质量，还可以通过步进电机对横封轮实现非衡速的控制模式，就是在横封的每一点上都实现速度同步。

2、矿井提升中的应用

由于步进电机独特的优点，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下。电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号。

电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。作为一种把数字电脉冲信号转换成机械角位移的机电元件。

步进电机具有控制简单，功率大，维护容易，定位精度高，可靠性好，体积小，骄动系统多达32种选择。并且价格低，无累积位置误差，可自锁，控制成本低等特点而得到广泛应用，再加上利用现在比较成熟的微机技术中单片机的应用控制。可以轻松实现自动控制，以上特点完全符合微拖的要求。并且可以实现矿井提升系统的自动控制，实现无人值守提升系统。

矿井提升中步进电机的控制过程是这样的，首先提升机减速接近爬行阶段，速度降至3m／s左右时。由自动控制系统自动接通电磁阀。电磁阀杆在电磁力的作用下克服阀杆下端弹簧的弹力下移，使压缩空气由A腔进入B腔，通过减速器的空心轴进入气囊离合器。使微拖装置与主机连接起来。

当速度继续降至爬行速度时。通过控制电路切断主电动机动力制动电源，提升机改由步进电机拖动进行平稳的低速爬行。提升容器到达终点，进行卸载时，控制电路使电磁阀断电，步进电机与主机脱离，完成一次爬行过程，接下来进行下一周期的工作。通过改进，大大提高卸载时事故的发生率，提高煤矿生产的安全，并且为煤矿后来进行自动化生产建立基础。

3、汽车测试中的应用

许多汽车制动元件的检测，例如液压制动系中制动主缸助力器总成的检测，气压制动系中气制动阀的检测，在测试系统中需要用到电机推动滚珠丝杠来模拟在实际汽车制动时踩下制动踏板进行制动的过程，滚珠丝杠推动主缸或者制动阀使其达到汽车制动时所需要的各种工作状态，以便来测试各种性能。

而步进电机由于角位移与输入脉冲严格成正比关系，在其运动过程中没有累计误差，跟随性良好，因此选择步进电机是汽车制动元件测试系统中性能较好的执行元件。系统硬件组成有位移传感器，力传感器，步进电机；控制核心采用工控机和数据采集卡。

步进电机通过联轴器驱动滚珠丝杠组成加力装置，力传感器安装在丝杠顶杆前端，用于测量步进电机输出力矩“被测试件输入力”的大小，数据经由A／D转换送工控机处理，工控机控制步进电机的启动、前进、后退、停止，并按测试程序控制前进和后退的速度，同时由位移传感器测量出步进电机的位移量，并将力和位移的相应数据通过显示器表示出来，根据相关行业标准来判断气制动阀的合格与否。

一般采用软件延时的方法来对步进电机的运行速度、步数及方向进行控制，根据计算机所发出脉冲的频率和数量所需的时间来设计一个子程序，该子程序包含一定的指令，设计者通常要对这些指令的执行时间进行严密的计算或者精确的测试，以便确定延时时间是否符合要求，每当子程序结束后，可以执行下面的操作。

采用软件延时方式时，CPU一直被占用，CPU利用率低，这在许多场合是非常不利的。因此需要重新设计对步进电机的控制程序，采用PCL-812PG数据采集卡，利用812PG卡中自带可编程计数／定时器8254及其他逻辑电路器件设计一种步进电机控制方式，仅需要几条简单的指令就可以产生具有一定频率和数目的脉冲信号。

可编程的硬件定时器直接对系统时钟脉冲或某一固定频率的时钟脉冲进行计数，计数值则由编程决定当计数到预定的脉冲数时，给出定时时间到的信号，得到所需的延时时间或定时间隔，由于计数的初始值由编程决定，因而在不改动硬件的情况下，只通过程序的变化即可满足不同的定时和计数要求，因此使用很方便。

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