圖文詳解教你步進電機特性、原理及驅(qū)動器設(shè)計

什么是步進電機？

步進電機是將電脈沖信號，轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機，又稱為脈沖電機。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時，它就可以驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”。

步進電機的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率，來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機多用于數(shù)字式計算機的外部設(shè)備，以及打印機、繪圖機和磁盤等裝。

步進電機的特點

步進電機工作時的位置和速度信號不反饋給控制系統(tǒng)，如果電機工作時的位置和速度信號反饋給控制系統(tǒng)，那么它就屬于伺服電機。相對于伺服電機，步進電機的控制相對簡單，但不適用于精度要求較高的場合。

步進電機的優(yōu)點和缺點都非常的突出，優(yōu)點集中于控制簡單、精度高，缺點是噪聲、震動和效率，它沒有累積誤差，結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便，制造成本低。步進電機帶動負載慣量的能力大，適用于中小型機床和速度精度要求不高的地方，缺點是效率較低、發(fā)熱大，有時會“失步”。優(yōu)缺點如下所示。

優(yōu)點：

1. 電機操作易于通過脈沖信號輸入到電機進行控制；

2. 不需要反饋電路以返回旋轉(zhuǎn)軸的位置和速度信息（開環(huán)控制）；

3. 由于沒有接觸電刷而實現(xiàn)了更大的可靠性。

缺點：

1. 需要脈沖信號輸出電路；

2. 當控制不適當?shù)臅r候，可能會出現(xiàn)同步丟失；

3. 由于在旋轉(zhuǎn)軸停止后仍然存在電流而產(chǎn)生熱量。

步進電機的分類

在相同電流且相同轉(zhuǎn)矩輸出的條件下，單極型步進電機比雙極型步進電機多一倍的線圈，成本更高，控制電路的結(jié)構(gòu)也不一樣，目前市場上流行的大多是雙極型步進電機。

步進電機在構(gòu)造上通常主要按照轉(zhuǎn)子特點和定子繞組進行分類，下面將詳細介紹這兩種類型的分類。

按照轉(zhuǎn)子分類，有三種主要類型：反應式（VR型）、永磁式（PM型）、混合式（HB型）。

反應式

定子上有繞組，繞組由軟磁材料組成。其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、步距角小，可達1.2度，但動態(tài)性能差，效率低、發(fā)熱大，可靠性難以保證。

永磁式

永磁式步進電機的轉(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。其特點是動態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機度差，步距角大（一般為7.5度或15度）。

混合式

混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優(yōu)點，其定子上有很多相繞組，轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子均有多個小齒以提高步距精度。其特點是輸出力矩大、動態(tài)性能好、步距角小，但結(jié)構(gòu)復雜、成本相對較高。

步進電機按照定子上繞組來分類，共有二相、三相和五相等系列。目前最受歡迎的是兩相混合式步進電機，約占97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細分驅(qū)動器后效果良好。

該種電機的基本步距角為1.8度/步，配上半步驅(qū)動器后，步距角減少為0.9度，配上細分驅(qū)動器后。其步距角可細分達256倍（0.007度/微步）。由于摩檫力和制造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進電機可配不同細分的驅(qū)動器以改變精度的效果。

步進電機的工作原理

步進電機是通過脈沖信號來進行控制，每輸入一個脈沖信號，步進電機前進一步。步進電機旋轉(zhuǎn)的步距角，是在電機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上等比例控制產(chǎn)生的，如果控制電路的細分控制不變，那么步進旋轉(zhuǎn)的步距角在理論上是一個固定的角度。在實際工作中，電機旋轉(zhuǎn)的步距角會有微小的差別，主要是由于電機結(jié)構(gòu)上的固定有誤差產(chǎn)生的，而且這種誤差不會積累。

步進電機的總極數(shù)越大，加工精度的要求就會越高。通常工業(yè)用混合型步進電機的步距角是1.8度，就是200極。

步進電機的相電流及磁場，遵循安培右手螺旋定律，由電能產(chǎn)生磁場能量，控制電機相電流，就能使電機定子的磁極方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，二相磁場的變化相配合，進而產(chǎn)生電機的旋轉(zhuǎn)。

如果電流方向發(fā)生變化，磁極的方向也會發(fā)生變化，步進電機的電流流過定子產(chǎn)生磁場的過程叫做勵磁。

通常所說的二相步進電機，電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，包含不同磁極的磁場相斥和相吸實現(xiàn)的。如上圖所示，A相產(chǎn)生N極磁場吸引轉(zhuǎn)子的S極，B相產(chǎn)生S極磁場吸引轉(zhuǎn)子的N極，使定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的動力。如果改變A、B相定子線圈的電流方向，電機會產(chǎn)生另一步的旋轉(zhuǎn)。連續(xù)改變A、B相定子線圈的電流方向，電機會產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。

如上圖所示，電機的運動是通過改變電流在電機中的流動來實現(xiàn)的，電子轉(zhuǎn)子排斥B相磁極的定子，吸引A相磁極的定子，這就產(chǎn)生了另一個步進操作。

執(zhí)行另一個步進操作，電機定子磁極反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子排斥B相磁極的定子，吸引A相磁極的定子，如上圖所示。

如上圖所示，定子線圈中的電流方向無論何時發(fā)生變化，磁極將會反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子重復步進操作。東芝步進電機驅(qū)動控制電路對電機的磁場勵磁的控制，是通過脈寬調(diào)制方式實現(xiàn)的，能夠?qū)崿F(xiàn)電機高效、穩(wěn)定的運行。

步進電機的操作模式

步進電機的基本操作模式稱為“勵磁模式”，能夠使步進電機工作在全步模式、半步模式和微步模式，其中微步模式能夠有效的降低步進電機相電流的噪聲，能夠改善步進電機固有的噪聲震動問題。下面將介紹3種勵磁模式。

全步模式

所謂全步模式，就是依據(jù)電機固有結(jié)構(gòu)設(shè)計固定的步距角工作，一個電脈沖，步進電機前進一個步距角。這個步距角使電機設(shè)計結(jié)構(gòu)所決定的，也可以理解為電機以最大的步距角旋轉(zhuǎn)。

半步模式

半步模式是以電機固有的結(jié)構(gòu)決定的步距角的一半角度進行步進旋轉(zhuǎn)。如下圖所示，步進電機的總極數(shù)是4級，對應的步距角是90度，那么半步模式下，步進電機每個脈沖旋轉(zhuǎn)45度。

微步模式

微步模式類似于半步模式，步距角更小，就是1/4步、1/8步、1/16步，可以到很高的細分。對應的步進角度就是在整步步距角乘以微步系數(shù)。

步進電機的步距角越小，需要的加工精度會越高，對應的微步時的步進角度的誤差會越大。

電機控制驅(qū)動器

步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電機驅(qū)動器，它有脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元等組成。如下圖所示。

驅(qū)動單元與步進電機直接耦合，也可以理解成步進電機微機控制器的功率接口。下面將使用MCU和分離元器件的系統(tǒng)舉例說明。MCU相當于是控制電機的大腦，它向分立器件發(fā)送電機的步距角時間、轉(zhuǎn)動方向和重復次數(shù)等，而分立器件根據(jù)MCU發(fā)出的信號，將放大電壓和電流并將其發(fā)送至電機，從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。