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步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)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(hào)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(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(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(chēng)為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)供電的，多相時(shí)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(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)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(hào)、功率驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)。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(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，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。
主要分類(lèi)
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(lèi)型，在我國(guó)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(lái)看，可以分為以下三類(lèi)：開(kāi)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(shí)際應(yīng)用中一般歸類(lèi)于開(kāi)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(jiǎn)單、成本低、步距角小，可達(dá)1.2°、但動(dòng)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(dòng)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(gè)小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對(duì)較高。
按定子上繞組來(lái)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(chǎng)份額，其原因是性?xún)r(jià)比高，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)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(dòng)器后，步距角減少為0.9°，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)器以改變精度和效果。
選擇方法
步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)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(shí)，需采用大力矩電機(jī)。力矩指標(biāo)大時(shí)，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(shí)，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(dòng)器時(shí)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(dòng)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(dòng)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(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
發(fā)熱原理
通常見(jiàn)到的各類(lèi)電機(jī)，內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線(xiàn)圈的。繞組有電阻，通電會(huì)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(shuō)的銅損，如果電流不是標(biāo)準(zhǔn)的直流或正弦波，還會(huì)產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場(chǎng)中也會(huì)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(huì)以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來(lái)，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。
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制電機(jī)。在未發(fā)生失步情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)并不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，電機(jī)就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度（步進(jìn)角或步距角），通過(guò)控制脈沖數(shù)和脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)角位移量及電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到精確的開(kāi)環(huán)控制。另外，步進(jìn)電機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度與理論步距之間總有一定的誤差，從某一步到任何一步，也總有一定的誤差，但是，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不失步的情況下，其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期累積。
上面提到的都是在不失步的情況，如何才能避免失步呢？首先我們需要知道造成電機(jī)失步的因素：
1：步進(jìn)電機(jī)選型不當(dāng)，電機(jī)力矩不夠或者物體運(yùn)動(dòng)的慣量超過(guò)電機(jī)自鎖力，造成的丟步或失步
2：驅(qū)動(dòng)器選型不當(dāng)，配套的驅(qū)動(dòng)器電流偏小，影響電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)在市面上很多電流虛標(biāo)的驅(qū)動(dòng)器，拿峰值電流當(dāng)額定電流來(lái)忽悠消費(fèi)者，驅(qū)動(dòng)器選型額定電流應(yīng)大于步進(jìn)電機(jī)額定電流的1.2-1.5倍
3：配套電源選型不當(dāng)，配套電源應(yīng)是驅(qū)動(dòng)器額定電源的1.5-2倍，電源虛標(biāo)比驅(qū)動(dòng)器虛標(biāo)更嚴(yán)重
4：控制部分應(yīng)排除干擾，遠(yuǎn)離變頻器，防靜電。設(shè)備做好接地處理，防止感應(yīng)電，信號(hào)線(xiàn)做好屏蔽處理 ，設(shè)置好適當(dāng)啟動(dòng)頻率，并做好加減速
轉(zhuǎn)子加速度慢于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)即轉(zhuǎn)子速度低于換相速度時(shí)，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生失步，這是因?yàn)檩斎腚姍C(jī)的電能不足，產(chǎn)生的力矩?zé)o法使轉(zhuǎn)子速度跟上定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，從而引起失步。轉(zhuǎn)子平均速度高于定子磁場(chǎng)平均旋轉(zhuǎn)速度，這是定子通電勵(lì)磁的時(shí)間較長(zhǎng)，大于步進(jìn)所需的時(shí)間，轉(zhuǎn)子在步進(jìn)過(guò)程中獲得過(guò)多的能量，導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩過(guò)大從而引起電機(jī)越步。
以上導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步的原因?qū)嵸|(zhì)是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇不當(dāng)而導(dǎo)致，只有選擇正確合適的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器才能使步進(jìn)電機(jī)發(fā)揮其控制精確的優(yōu)勢(shì)。選擇合適的驅(qū)動(dòng)器需要根據(jù)電機(jī)的電流，配用大于或等于此電流的驅(qū)動(dòng)器。如果需要低振動(dòng)或高精度時(shí)，可配用細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于大轉(zhuǎn)矩電機(jī)，盡可能用高電壓型驅(qū)動(dòng)器，以獲得良好的高速性能。同時(shí)對(duì)于驅(qū)動(dòng)電源，很多人直接使用開(kāi)關(guān)電源作為驅(qū)動(dòng)電源，但是，一般最好不要使用開(kāi)關(guān)電源，特別是大力矩電機(jī)，除非選用比需要的功率大一倍以上的開(kāi)關(guān)電源。因?yàn)?，電機(jī)工作時(shí)是大電感型負(fù)載，會(huì)對(duì)電源端形成瞬間的高壓。而開(kāi)關(guān)電源的過(guò)載性能不好，會(huì)保護(hù)關(guān)斷，且其精密的穩(wěn)壓性能又不需要，有時(shí)可能造成開(kāi)關(guān)電源和驅(qū)動(dòng)器的損壞。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，可以用常規(guī)的環(huán)形或R 型變壓器變壓的直流電源。
步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生共振是因?yàn)殡姍C(jī)接收的脈沖頻率等于步進(jìn)電機(jī)的固有頻率，該頻率與驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分有關(guān)系。我們一般使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分能力很重要，共振范圍越小越好。對(duì)于電機(jī)負(fù)載慣性較大是由于電機(jī)超載而引起，因此在使用時(shí)只需注意不要讓電機(jī)過(guò)載即可避免。
1，微步電流曲線(xiàn)
在大量微步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，結(jié)合步距角的不均勻性對(duì)步進(jìn)電機(jī)失步的影響，采用電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)的細(xì)分方法是比較理想的，以?xún)上嗷旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)為例，通過(guò)對(duì)電機(jī)兩相繞組加上正弦電流來(lái)實(shí)現(xiàn)定子電流合成矢量的“恒幅、均勻”，微步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的兩相繞組電流的數(shù)學(xué)模型表示為：微步參數(shù)可以預(yù)先計(jì)算出來(lái)，以表格的形式存儲(chǔ)在EPROM中，進(jìn)行查表獲得參數(shù)值，通過(guò)微步的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的改變，因?yàn)椴恍枰?jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算，就不會(huì)過(guò)多占用CPU的時(shí)間，同時(shí)這種方式還可以擬合出更接近理想變化曲線(xiàn)的頻率變化來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加速和減速的平穩(wěn)控制，另外采用這種細(xì)分方法也在很大程度上解決了微步距角的不均勻性問(wèn)題，這將廣泛用于精度要求不是特別高的步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中。
2，驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路的選擇
避免失步和減小振動(dòng)的另一措施在于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有很多種，包括單、雙電壓驅(qū)動(dòng)，高低電壓驅(qū)動(dòng)，0橋驅(qū)動(dòng)，升頻升壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)和脈寬調(diào)制（PWM）恒流驅(qū)動(dòng)等，由于微步驅(qū)動(dòng)需要控制相繞組電流的大小，因此只有單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)以及PWM恒流驅(qū)動(dòng)的適合微步驅(qū)動(dòng)控制，單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)方式由于串接的電阻導(dǎo)致電路時(shí)間常數(shù)降低，截止時(shí)續(xù)回流時(shí)間常數(shù)大幅度下降，從而加速電流泄放，有利于提高步進(jìn)電機(jī)的高頻響應(yīng)，同時(shí)也因?yàn)榛芈吩黾拥淖枘崂跍p少電機(jī)的共振，但其主要缺點(diǎn)是損耗大，效率低;采用斬波恒流驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流上升很快，當(dāng)達(dá)到所需要的數(shù)值時(shí)，由于取樣電阻反饋控制作用，繞組電流可以恒定在確定的數(shù)值上，而且不隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)電機(jī)都能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)采用斬波恒流驅(qū)動(dòng)的另一優(yōu)點(diǎn)是減少了電機(jī)共振現(xiàn)象的發(fā)生，由于電機(jī)共振的基本原因是能量過(guò)剩，而斬波恒流驅(qū)動(dòng)輸入的能量是自動(dòng)隨著繞組電流調(diào)節(jié)，能量過(guò)剩時(shí)，續(xù)流時(shí)間延長(zhǎng)，而供電時(shí)間減小，因此可減小能量的積聚PWM恒流驅(qū)動(dòng)用數(shù)字脈沖直接控制電流波形的占空比，比斬波恒流驅(qū)動(dòng)的電路更簡(jiǎn)單，也更適合于單片機(jī)直接采用數(shù)字信號(hào)控制，因此選擇采用PWM恒流驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器。
3，加速曲線(xiàn)的選擇
在控制步進(jìn)電機(jī)的失步方面，步進(jìn)電機(jī)的加速曲線(xiàn)也非常重要，加速的規(guī)律一般有兩種，一是按照直線(xiàn)規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速！按直線(xiàn)規(guī)律升速時(shí)加速度為恒定，因此要求步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值，從電機(jī)本身的特性來(lái)看，在轉(zhuǎn)速不是很高的范圍內(nèi)，輸出的轉(zhuǎn)矩可基本認(rèn)為恒定！但實(shí)際上電機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減少，因此輸出轉(zhuǎn)矩將有所下降，按指數(shù)規(guī)律升速，加速度逐漸下降，接近電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律，微機(jī)在控制步進(jìn)電機(jī)的加速過(guò)程中，可用離散辦法來(lái)逼近理想的升降曲線(xiàn)。
4，減輕電磁干擾的措施
針對(duì)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)電磁干擾方面主要采取以下一些措施：在單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路中加入光電隔離電路可以有效抑制電磁干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性;在驅(qū)動(dòng)回路中降低，開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通速度，這樣可以減小產(chǎn)生電磁干擾的強(qiáng)度，也可添加吸收回路，抑制浪涌的產(chǎn)生，合理選擇主變壓器的鐵芯結(jié)構(gòu)，降低漏磁強(qiáng)度;另外一個(gè)比較重要的方面就是電子線(xiàn)路的合理布局，控制干擾源與被干擾元件的距離和相對(duì)方向，使敏感元件遠(yuǎn)離干擾源，不同用途的聯(lián)接線(xiàn)要分開(kāi)，不走平行線(xiàn)，一個(gè)回路的布線(xiàn)在中間位置相互交叉且回路左右兩半的面積要大致相等，減少感生電勢(shì)，導(dǎo)線(xiàn)宜選用屏蔽線(xiàn)以及合理的接地設(shè)計(jì)等，采取這些措施將有效地減少電磁干擾對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的影響。
