步進(jìn)電機(jī)簡介及控制原理

步進(jìn)電機(jī)是執(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，在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，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（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的，通過控制脈沖個(gè)數(shù)控制角位移量，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)作為一種控制用的特種電機(jī)，其沒有積累誤差（精度為100%），被廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。

一、步進(jìn)電機(jī)的種類

永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體檢較小，步踞角一般為7.5度或15度，多用于空調(diào)風(fēng)擺上。

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)常見的有三相反應(yīng)式，步踞角為1.5度。

混合式步進(jìn)電機(jī)常見的有兩相、三相、四相、五相混合式。兩相和四相混合式可以通用驅(qū)動(dòng)器，步踞角多是1.8度，具有體積小、大力距、低噪音的特點(diǎn)。五相混合式步踞角為0.72度，分辨率高，但是驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，接線麻煩。三相混合式步踞角為1.2度，其擁有比兩相、五相混合式更多的磁極，有利于電機(jī)夾角的對(duì)稱，因而比兩相、五相精度更高，誤差更小，運(yùn)行更平穩(wěn)。

二、步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)概念

步進(jìn)電機(jī)的精度：步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3%—5%，且不累積。

步踞角：就是發(fā)送一個(gè)脈沖，電機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

定位轉(zhuǎn)矩：是指步進(jìn)電機(jī)不通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。

運(yùn)行頻率：步進(jìn)電機(jī)不失步運(yùn)行的最高頻率。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)器：主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)作精度，減少噪音。

三、步進(jìn)電機(jī)的特征

1.高精度的定位。

步進(jìn)電機(jī)的最大特征是能夠簡單地做到高精度的定位控制。以五相步進(jìn)電機(jī)為例：其定位基本單位（分辨率）為0.72度（全步級(jí)）/0.36度（半步級(jí)），是非常小的；停止定位精度誤差皆在±3分（±0.05度）以內(nèi)，且無累計(jì)誤差，因而能達(dá)到高精度的定位控制。（步進(jìn)電機(jī)的定位精度取決于電機(jī)本身的機(jī)械加工精度）

2.位置及速度控制。

步進(jìn)電機(jī)在輸入脈沖信號(hào)時(shí)，可以依輸入的脈沖數(shù)做固定角度的回轉(zhuǎn)，進(jìn)而得到靈活的角度控制（位置控制），并可得到與該脈沖信號(hào)周波數(shù)（頻率）成比例的回轉(zhuǎn)速度。

3.具定位保持力。

步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下（無脈波信號(hào)輸入時(shí)）仍具有激磁保持力，因此，即使不依靠機(jī)械式的剎車，也能做到停止位置的保持。

4.動(dòng)作靈敏。

步進(jìn)電機(jī)因?yàn)榧铀傩阅軆?yōu)越，所以可做到瞬時(shí)起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)等快速、頻繁的定位動(dòng)作。

5.開回路控制，不必依賴傳感器定位。

步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需要速度感應(yīng)器（ENCODER、轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)）及位置傳感器（SENSOR），就能以輸入的脈波達(dá)到速度與位置的控制。也因其屬開回路控制，所以最適合于短距離、高頻度、高精度等定位控制的場合下使用。

6.中低速時(shí)具備高轉(zhuǎn)矩。

步進(jìn)電機(jī)在中低速時(shí)具有較大的轉(zhuǎn)矩，所以能夠較同級(jí)伺服電機(jī)提供更大的扭力輸出。

7.高信賴性。

使用步進(jìn)電機(jī)裝置與使用離合器、減速機(jī)及極限開關(guān)等其它裝置相較，步進(jìn)電機(jī)的故障及誤動(dòng)作少，所以在檢查及保養(yǎng)時(shí)也較簡單容易。

8.體積小，功率高。

步進(jìn)電機(jī)體積小、扭力大，在狹窄的空間內(nèi)也可順利做安裝，并提供高轉(zhuǎn)矩輸出。

四、步進(jìn)電機(jī)的控制原理

步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。

步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是：它是通過輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速則由脈沖信號(hào)頻率決定。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，而控制信號(hào)則由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理如下：

（一）控制換相順序。

通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳—B—C—D，通電控制脈沖就必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A，B，C，D，進(jìn)行電的通斷。

（二）控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

如果給定工作方式是正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)就正轉(zhuǎn)；如果按反序通電換相，步進(jìn)電機(jī)就反轉(zhuǎn)。

（三）控制步進(jìn)電機(jī)的速度。

如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它就再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。