步进电机工作原理及实现

仍以二相步进电机为例，当A、B相绕组同时通电时，转子将停在A、B相磁板中 间，如图。若通电方向顺序按照AA → AA+BB → BB → BB+AA → AA → AA+ BB → BB → BB+AA 8个状态周而复始进行变化，电机顺时针转动；电机每转 动一步，为45度，8个脉冲电机转一周。为了保证电机输出的力矩均匀，A、B相 线圈电流的大小也要调整，使A、B相产生的合力在每个位臵相同，如图1所示为 4细分时A、B相线圈电流的关系。A、B相线圈电流大小与转角关系如图2所示。
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二 步进电机驱动原理
步进电机控制系统的组成
步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用 是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一 定顺序通电，控制电机转动。
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二 步进电机驱动原理
（1）步进控制器
① 包括：缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及 正、反转向控制门等。 ② 作用: 把输入脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电机的转向。
可以克服步进电机高速起停时存在的堵转、丢步或者过冲等问题,使步 进电机转动得更加平稳、定位更加精确。
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正弦细分驱动技术
步进电机的工作原理本质上靠励磁绕组产生的旋转的合磁场带动转子做同步运动， 由于励磁绕组通电之后产生磁通量正比于电流的大小,因而只要控制流过各个绕组 的电流的大小和方向就可以控制步进电机各个绕组产生的合磁场的大小和方向 。 工作在细分状态下就需要精确控制流过绕组电流的大小 。
步进电机的特点 1.一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积； 2.步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点； 3.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 4.空载启动频率：即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率， 如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。 5.低频振动特性：步进电动机以连续的步距状态边移动边重复运转。其 步距状态的移动会产生1步距响应。
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升降频控制技术
步进电机从静止启动时,由于惯性和摩擦力矩的作用,如果转动频率突变 太大可能会丢步甚至堵转;当步进电机在高速运转时如果突然停下来,则 可能会过冲,这些情况都会导致运动不平稳以及定位精度不高。这在实 际运用当中是非常有害的，由于步进电机升速过程当中输出力矩明显减 少,因而步进电机的升速曲线的设计尤为重要，步进电机的升速过程一 般由突变频率和加速曲线过程。突变频率不可太高否则会丢步甚至堵转。 由步进电机的运动方程可得出理想的加速曲线为
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一 步进电机工作原理
步进电机原理图
步进电机是一种感应电机，以 两相步进电机为例，它有两个 绕组，当一个绕组通电后，其 定子磁极产生磁场，将转子吸 合到此磁极处。若绕组在控制 脉冲的作用下，通电方向为AA -BB-AA-BB四个状态周而复始 的变化时，电机就逆时针转动。 控制作用脉冲每作用一次，通 电方向就变化一次，使电机转 动一步，4个脉冲，电机转动 一圈。脉冲频率越高，电机转 动越快。
实际上步进电机转动频率不是连续变化的而是离散的,因而升 速曲线一般是指运行频率与脉冲数的关系曲线(如图所示),一 般采用各种方法来拟合升速曲线,常见的方法有台阶拟合法、 直线拟合法以及查表法。出于拟合精度和实现难度的折中考虑, 实际使用中往往采取直线拟合法"
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四 国内外发展概况与趋势
现在，步进电动机的发展（结构的发展）已归结为单段式结构的磁阻式 (VR)、混合式(HB)和爪极结构(PM)的永磁式三类。爪极电机价格便宜， 性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式 步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。最 典型的产品是二相8极50齿的电动机，还有五相10极50齿和一些转子100 齿的二相和五相步进电动机，五相电动机主要用于运行性能较高的场合。 到目前，工业发达国家的磁阻式步进电动机已极少见。
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内 容 提 要
一 步进电机简介
二
步进电机原理介绍
三
步进电机的驱动原理
四
国内外发展概况与趋势
微机控制技术ຫໍສະໝຸດ 一 步进电机简介☆ 步进电动机的定义：是一种专门用于速度和位臵精 确控制的特种电机，它旋转是以固定的角度（称为 步距角）一步一步运行的，故称步进电机。
☆ 步进电动机构造：由转子（转子铁芯、永磁体、转 轴、滚珠轴承），定子（绕组、定子铁芯），前后 端盖等组成。最典型两相混合式步进电机的定子有8 个大齿，40个小齿，转子有50个小齿；三相电机的 定子有9个大齿，45个小齿，转子有50个小齿。
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国外对步进电机的研究一直很活跃。目前，国外对步进电机的控制和驱动 的一个重要发展方向是大量采用专用芯片，结果是大大缩小驱动器的体积， 明显提高了整机的性能。比较典型的芯片有两类:一类芯片的核心是用硬件 和微程序来保证步进电机实现合理的加减速过程，同时完成计长走步、正反 转等。对于开环使用的步进电机，实现合理的加减速过程便可使其达到较高 的运行频率而不失步或过冲。例如日本的PPMC101B便是这种芯片。采用这类 专用集成电路，可驱动3-5相电路，可选择励磁方式，转速精确，设定的转 速范围宽、加减速的过渡时间及上升陡度可根据负载选定，此外还有单步运 转和不同的停止方式等功能。另一类芯片的核心是实现细分技术，例如日本 东芝公司的TA774H二相步进电机细分控制芯片，其内部集成了PWM斩波控制 和函数型双极驱动电路细分控制功能。目前由于集成芯片受到耐压、电流容 量的限制，一般只能用于小功率步进电机的驱动。
③ 采用计算机控制系统，由软件代替步进控制器。
优点：线路简化，降低成本降低，可靠性提高。 灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。
（2）功率放大器
把环型脉冲放大，以驱动步进电机转动。
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改进方法
可以大大减少低速转动时的振动和噪音,还可以起到减小步距角、提 高分辨率、增大输出力矩的效果;
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当前最有发展前景的当属混合式步进电动机，而混合式电动机又向 以下四个方向发展： （1）继续沿着小型化的方向发展。 （2）改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方型结构，使得 转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比(性价比)将大为提 高。同样机座号的电动机，方形的力矩比圆形的将提高30％～40％。 （3）对电动机进行综合设计。即把转子位臵传感器（相对编码器）， 减速齿轮（减速机）等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能 方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制性能。 （4）向五相和三相电动机方向发展。目前广泛应用的二相和四相电 动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就 这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机精密且复 杂，因此三相电动机系统的价格比要比五相电动机更低一些。
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☆步进电机的优点 (1)与负载无关:不超载时步进电机能够按照设定的速度运行; (2)动态响应快:易于启动、停止和反转; (3)保持转矩:停止时能够自锁; (4)无累积误差:虽然步进电机每转动一步的角位移与标称的步距角具有一定 的误差(3一5%),但是转动一周后累积的误差和为零。 (5)步距角与环境无关:步进电机的固有步距角是由本身构造决定的,与温度、 电压、电流等使用环境无关。 (6)易于控制:只需控制脉冲的频率和个数,即可达到定位、调速目的。 (7)价格低廉。 ☆步进电机的缺点： (l)低速转动时振动和噪声都比较大; (2)输出力矩随着转动速度的升高而降低; (3)启动频率不能太高,否则会堵转并伴随有呼啸声; (4)速度突变较大时存在丢步和过冲现象; (5)最高运动速度较低,且高速运转时输出力矩小； (6)开环控制,不能保证实际转动的角度与设想的完全一致。
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脉冲宽度调制技术
脉冲宽度调制简称pwm ,原理为通过一系 列脉冲的宽度进行调制，来获得所需要的 波形 步进电机的绕组由于电流不会突变,具有 明显的惯性环节,因此可以用PWM技术来控 制电机绕组的电流大小。周期脉冲信号的 导通阶段对绕组进行充电,截止阶段绕组 通过续流回路进行放电，当脉冲的频率和 宽度达到一定值时,绕组的电流将基本是 一个恒定值,并带有微小的纹波信号，当 脉冲宽度改变时,绕组的电流也将发生变 化，所以PWM可用来精确控制绕组电流的 大小。