步进电机简介及控制原理

来源:用户上传      作者: 孔凡君

　　步进电机是执行元件，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，在国民经济各个领域都有应用。
　　步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，通过控制脉冲个数控制角位移量，达到准确定位的目的，同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，达到调速的目的。步进电机作为一种控制用的特种电机，其没有积累误差（精度为100%），被广泛应用于各种开环控制。
　　
　　一、步进电机的种类
　　
　　永磁式步进电机一般为两相，转矩和体检较小，步踞角一般为7.5度或15度，多用于空调风摆上。
　　反应式步进电机常见的有三相反应式，步踞角为1.5度。
　　混合式步进电机常见的有两相、三相、四相、五相混合式。两相和四相混合式可以通用驱动器，步踞角多是1.8度，具有体积小、大力距、低噪音的特点。五相混合式步踞角为0.72度，分辨率高，但是驱动电路复杂，接线麻烦。三相混合式步踞角为1.2度，其拥有比两相、五相混合式更多的磁极，有利于电机夹角的对称，因而比两相、五相精度更高，误差更小，运行更平稳。
　　
　　二、步进电机的相关概念
　　
　　步进电机的精度：步进电机的精度为步进角的3%―5%，且不累积。
　　步踞角：就是发送一个脉冲，电机对应转动的角度。
　　定位转矩：是指步进电机不通电的情况下，定子锁住转子的力矩。
　　运行频率：步进电机不失步运行的最高频率。
　　细分驱动器：主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运作精度，减少噪音。
　　
　　三、步进电机的特征
　　
　　1.高精度的定位。
　　步进电机的最大特征是能够简单地做到高精度的定位控制。以五相步进电机为例：其定位基本单位（分辨率）为0.72度（全步级）/0.36度（半步级），是非常小的；停止定位精度误差皆在±3分（±0.05度）以内，且无累计误差，因而能达到高精度的定位控制。（步进电机的定位精度取决于电机本身的机械加工精度）
　　2.位置及速度控制。
　　步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数做固定角度的回转，进而得到灵活的角度控制（位置控制），并可得到与该脉冲信号周波数（频率）成比例的回转速度。
　　3.具定位保持力。
　　步进电机在停止状态下（无脉波信号输入时）仍具有激磁保持力，因此，即使不依靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持。
　　4.动作灵敏。
　　步进电机因为加速性能优越，所以可做到瞬时起动、停止、正反转等快速、频繁的定位动作。
　　5.开回路控制，不必依赖传感器定位。
　　步进电机的控制系统构成简单，不需要速度感应器（ENCODER、转速发电机）及位置传感器（SENSOR），就能以输入的脉波达到速度与位置的控制。也因其属开回路控制，所以最适合于短距离、高频度、高精度等定位控制的场合下使用。
　　6.中低速时具备高转矩。
　　步进电机在中低速时具有较大的转矩，所以能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。
　　7.高信赖性。
　　使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。
　　8.体积小，功率高。
　　步进电机体积小、扭力大，在狭窄的空间内也可顺利做安装，并提供高转矩输出。
　　
　　四、步进电机的控制原理
　　
　　步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。
　　步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速则由脉冲信号频率决定。
　　步进电机的驱动电路根据控制信号工作，而控制信号则由单片机产生。其基本原理如下：
　　（一）控制换相顺序。
　　通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A―B―C―D，通电控制脉冲就必须严格按照这一顺序分别控制A，B，C，D，进行电的通断。
　　（二）控制步进电机的转向。
　　如果给定工作方式是正序换相通电，步进电机就正转；如果按反序通电换相，步进电机就反转。
　　（三）控制步进电机的速度。
　　如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它就再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。

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