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本文主要是關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)介紹，并著重對步進(jìn)電機(jī)的失步和過沖現(xiàn)象進(jìn)行了詳盡的闡述。
步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(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)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，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。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，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，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，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)動器就是為步進(jìn)電機(jī)分時供電的，多相時序控制器。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、功率驅(qū)動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)、電子及計算機(jī)等許多專業(yè)知識。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)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。
主要分類
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)等多種類型，在我國所采用的步進(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)控制系統(tǒng)從其控制方式來看，可以分為以下三類：開環(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)在實際應(yīng)用中一般歸類于開環(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)簡單、成本低、步距角小，可達(dá)1.2°、但動態(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小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高。
按定子上繞組來分，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%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細(xì)分驅(qū)動器后效果良好。該種電機(jī)的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅(qū)動器后，步距角減少為0.9°，配上細(xì)分驅(qū)動器后其步距角可細(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)動器以改變精度和效果。
選擇方法
步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動器的選擇方法：
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，需采用大力矩電機(jī)。力矩指標(biāo)大時，電機(jī)外形也大。
判斷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度：轉(zhuǎn)速要求高時，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)動器時采用較高供電電壓。
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)動器。
基本原理
工作原理
通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(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)就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。
發(fā)熱原理
通常見到的各類電機(jī)，內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會產(chǎn)生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標(biāo)準(zhǔn)的直流或正弦波，還會產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場中也會產(chǎn)生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關(guān)，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來，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，
人們早在20世紀(jì)20年代就開始使用這種電機(jī)。隨著嵌入式系統(tǒng)（例如打印機(jī)、磁盤驅(qū)動器、玩具、雨刷、震動尋呼機(jī)、機(jī)械手臂和錄像機(jī)等）的日益流行，步進(jìn)電機(jī)的使用也開始暴增。不論在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、汽車還是娛樂業(yè)中，只要需要把某件物體從一個位置移動到另一個位置，步進(jìn)電機(jī)就一定能派上用場。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：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--定子齒槽上的線圈驅(qū)動的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機(jī)中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。
步進(jìn)電機(jī)加減速過程控制技術(shù)
正因為步進(jìn)電機(jī)的廣泛應(yīng)用，對步進(jìn)電機(jī)的控制的研究也越來越多，在啟動或加速時如果步進(jìn)脈沖變化太快，轉(zhuǎn)子由于慣性而跟隨不上電信號的變化，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或失步在停止或減速時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而啟動的，為了不發(fā)生失步，啟動頻率是不高的。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)的起動頻率特性使步進(jìn)電機(jī)啟動時不能直接達(dá)到運(yùn)行頻率，而要有一個啟動過程，即從一個低的轉(zhuǎn)速逐漸升速到運(yùn)行轉(zhuǎn)速。停止時運(yùn)行頻率不能立即降為零，而要有一個高速逐漸降速到零的過程。
步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨著脈沖頻率的上升而下降，啟動頻率越高，啟動力矩就越小，帶動負(fù)載的能力越差，啟動時會造成失步，而在停止時又會發(fā)生過沖。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沖，其關(guān)鍵在于使加速過程中，加速度所要求的力矩既能充分利用各個運(yùn)行頻率下步進(jìn)電機(jī)所提供的力矩，又不能超過這個力矩。因此，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行一般要經(jīng)過加速、勻速、減速三個階段，要求加減速過程時間盡量的短，恒速時間盡量長。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)行的時間要求最短，這就必須要求加速、減速的過程最短，而恒速時的速度最高。
國內(nèi)外的科技工作者對步進(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、線性模型等，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)了多種控制電路，改善了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動特性，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，縮短了升降速時間，但因電機(jī)負(fù)載的變化，很難實現(xiàn)而線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)在高速時會發(fā)生失步。
步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動控制
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)行時振動，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合，對要求較高的場合，只能采取閉環(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)良的開環(huán)控制組件的有效利用。細(xì)分驅(qū)動技術(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)動技術(shù)是年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進(jìn)電機(jī)綜合使用性能的驅(qū)動技術(shù)。年美國學(xué)者、首次在美國增量運(yùn)動控制系統(tǒng)及器件年會上提出步進(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。我國對細(xì)分驅(qū)動技術(shù)的研究，起步時間與國外相差無幾。
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)分驅(qū)動技術(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)計帶來了方便。目前在步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動技術(shù)上，采用斬波恒流驅(qū)動，儀脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動、電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動控制止，，幾大大提高步進(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，對步進(jìn)電機(jī)相電流的控制是由硬件來實現(xiàn)的，通常采用兩種方法，采用多路功率開關(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。
先對脈沖信號疊加，再經(jīng)功率管線性放大，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性區(qū)會引起失真、由于本身不可克服的缺點(diǎn)，因此目前已很少采用這兩類方法。
如何理解步進(jìn)電機(jī)的失步和過沖
失步應(yīng)該就是漏掉了脈沖沒有運(yùn)動到指定的位置。過沖應(yīng)該就是和失步相反，運(yùn)動到超過了指定的位置。
在一些控制簡單或要求低成本的運(yùn)動控制系統(tǒng)中，常會用步進(jìn)電機(jī)。最大的優(yōu)勢是：以開環(huán)的方式來控制位置和速度。但正因為是開環(huán)控制，負(fù)載位置對控制回路沒有反饋，步進(jìn)電機(jī)就必須正確響應(yīng)每次勵磁變化。如果勵磁頻率選擇不當(dāng)，步進(jìn)電機(jī)就不能夠移動到新的位置。負(fù)載實際的位置相對于控制器所期待的位置出現(xiàn)永久誤差，即發(fā)生失步現(xiàn)象或過沖想象。因此，在步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)中，如何防止失步和過沖是開環(huán)控制系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。
失步和過沖現(xiàn)象分別出現(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)啟動和停止的時候。一般情況下，系統(tǒng)的極限啟動頻率比較低，而要求的運(yùn)行速度往往比較高。如果系統(tǒng)以要求的運(yùn)行速度直接啟動，因為該速度已經(jīng)超限，啟動頻率而不能正常啟動，起則發(fā)生丟步，重則根本不能啟動，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行起來后，如果達(dá)到終點(diǎn)時立即停止發(fā)送脈沖，令其立即停止，則由于系統(tǒng)慣性的作用，步進(jìn)電機(jī)會轉(zhuǎn)過控制器所希望的平衡位置。
為了克服步進(jìn)失步和過沖現(xiàn)象，應(yīng)該在啟動停止時加入適當(dāng)?shù)募訙p速控制。我們一般采用：運(yùn)動控制卡作上位控制單元、具有控制功能的PLC作上位控制單元、單片機(jī)作上位控制單元來控制運(yùn)動加減速可以克服失步過沖現(xiàn)象。
步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。
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)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率。如果在脈沖頻率高于空載啟動頻率，步進(jìn)電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有一個合理的加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 啟動頻率 = 啟動轉(zhuǎn)速 × 每轉(zhuǎn)多少步空載啟動轉(zhuǎn)速就是步進(jìn)電機(jī)不通過加減速不負(fù)載直接轉(zhuǎn)動起來。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。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。
假設(shè)：需要減速器的總的輸出轉(zhuǎn)矩是T1，輸出的轉(zhuǎn)速是N1，減速比是5：1，步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度是A，那么電機(jī)的轉(zhuǎn)速是：5*（N1），那么電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)該是（T1）/5，電機(jī)的工作頻率應(yīng)該是
5*（N1）*360/A，所以你應(yīng)該看矩頻特性曲線：坐標(biāo)點(diǎn)［（T1）/5，5*（N1）*360/A］是不是在頻特性曲線（啟動矩頻曲線）的下面。如果在矩頻曲線的下面，你可以選擇這個電機(jī)。如果是在矩頻曲線上面，則，你不能選擇這個電機(jī)，因為會失步，或者根本就不能轉(zhuǎn)動。
補(bǔ)充：你是否確定了工作狀態(tài)，你需要的最大轉(zhuǎn)速確定了嗎，如果確定了，那就可以根據(jù)上面提供的公式進(jìn)行計算，（根據(jù)轉(zhuǎn)動的最大速度，和負(fù)載的大小，你就可以確定你現(xiàn)在選用的步進(jìn)電機(jī)是否適合，如果不適合你也應(yīng)該知道要選用什么樣的步進(jìn)電機(jī)了）
另外，步進(jìn)電機(jī)在啟動了以后，可以在負(fù)載不變的情況下，再提高頻率，因為步進(jìn)電機(jī)矩頻曲線實際上應(yīng)該有兩條的，你有的那條應(yīng)該是啟動矩頻曲線，而另外一條是脫出矩頻曲線，這條曲線代表的含義是：在啟動頻率下啟動電機(jī)，啟動完成以后可以增加負(fù)載，但電機(jī)不會失步的狀態(tài)；或者是在啟動頻率下啟動電機(jī)，在負(fù)載不變的情況下，可以適當(dāng)增加運(yùn)轉(zhuǎn)速度，但電機(jī)不會失步的狀態(tài)。
關(guān)于步距角，比如說你是A-B-C-D-A單四拍控制，那么步距角就是一個A走過的角度，關(guān)于最大牽入頻率，其指的是A-B之間的間隔頻率，手冊里給的都是》于某個值，但是在實際應(yīng)用時感覺應(yīng)該給的值就是最大值，例如》250PPS，那么A之后的delay就滿足1/delay 《=250， delay》=4ms，給3ms它走不起來。
如何理解步進(jìn)電機(jī)的失步和過沖
的確有人在研究不使用編碼器但又能檢測到丟步和堵轉(zhuǎn)。不過目前這些僅限于專利階段，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有成熟到可以與編碼器匹敵的地步，路還很長。
實際上，使用編碼器是當(dāng)今步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展趨勢。而如果你還要實現(xiàn)閉環(huán)控制的話，就像必須有一個編碼器或是傳感器來把步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)狀況告訴控制器，好讓控制器做出相應(yīng)的調(diào)整（加速或減速）。這就是目前的技術(shù)狀態(tài)。
結(jié)語
關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。
工商網(wǎng)監(jiān)
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