步进电机控制工作原理

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1、步进电机控制工作原理步讲电机的名称步讲电机(stepping motor),步进电机(step motor),或者是脉冲电机(pulse motor)，其它 的如(stepper motor)等.有着各式各样的称呼方式，这些用日本话来表示的时候，就成为阶 动电动机，还有，阶动就是一步一步阶段动作的意思，这各用另外一种语言来表示时，就是成为 步进驱动的意思，总之，就是输入一个脉冲就会有一定的转角，分配转轴变位的电动机。步进电机简介：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制组件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变 化的影响，即给电机加一

2、个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置 等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。单相步进电机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电机有 多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转 换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电机各项绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配 器，电机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度(称为步距角)。正常情况下，步 进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电机的转速与输入 脉冲的频率保持

3、严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。在非超载的情况下，电机 的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一 个脉冲信号，电机则转过一个步距角。步进电机按旋转结构分两大类：1是圆型旋转电机如下图A2直线型电机，结构就象一个圆型旋 转电机被展开一样，如下图B受控体aw翻銅脚礪删删慚臓朋)酿b直线甦电机一，步进电机的种类现在，在市场上所出现的步进电机有很多种类，依照性能及使用目的等有各自不同的区分使用。举个例子，各自不同的区分使用有精密位置决定控制的混合型，或者是低价格想用简易控制系 构成的PM型，由于电机的磁气构造分类，因此就性能上来说就会有影响，其

4、它的有依步进电 机的外观形状来分类，也有由驱动相数来分类，和驱动回路分类等。以步进电机的转子的材料可以分为三大类。1PM型步进电机:永久磁铁型(perma nent mag net type)2VR型步进电机:可变磁阻型(variable erluctanee type)3HB型混合型步进电机，复合型(hybrid type)1，PM 型PM型步进电机的原理构造如图1所示，转子是永久磁铁所构成，更进一步的往这个周围配置 了复数个的固定子。在图2.2.1上，转子磁铁为N、S 一对，而它的固定子线圈由4个构成，这些因为和步进角有 直接关系，所以如需要较微细的步进角时，转子磁铁的极数和发生驱动力的固

5、定子线圈的数不能 不对应的增加，还有在图1的构造步进角为90。圈线磁激OCIC转子铁芯這子铁芯图1 PM型步进电机的原理图(2相单极)而且，PM型的特征是因为在转子是永久磁铁构成的，所以就算在无激磁(固定子的任何线圈不 通电时)也需在一定程度上保持了转矩的发生，因而，依照利用这种的性质效果，可以构成省能 积形的系统。这种的步进电机，它的步进角种类很多，钐钻系磁铁的转子是用在45。或者90上，而且这些 也可以用氟莱铁(ferrite)磁铁作为多极的充磁，有3.75。、11.25。、15。、18。、22.5等丰富 的种类，但是从这些数字上看7.5(转48步进)是最为普及化的。2， VR 型VR型步

6、进电机的构造，如图2所示，转子是利用转子的突极吸引所发生的转力，因而VR型在无激磁的时候，并不发生保持转矩。歩进角15Y激磁线圈仅画出一相转子铁芯定子铁芯图2 VR型步进电机的原理图（2相单极）主要的用途适用在比较大的转矩上的工作机械，或者特殊使用的小型起动机的上卷机械上。其它 也有用在出力为1W以下的超小型电机上，总之，VR型的数量是非常少的，在步进电机的全 部生产量上只有数程度而已。还有，步进角的种类有15。、7.5。、也有1.8。，但是在数量上以1.5步进为最普及化。3，HB混合型混合型步进电机，是由固定子磁（齿）极以及和它对向的转子磁极所构成的，更近一步的它的转 子有这多数的齿车状，在

7、这些上是由转轴和在同方向被磁化的永久磁铁所组合而成，还有在构造 上比前面的PM型以及VR型更复杂，基本上是可以考虑由VR型和PM型一体化的构造。hybrid type型有混合型的意思存在，这个刚好是VR型和PM型两者组合的情况，所以就有 如此的称呼。一般上混合型，因具有高精度、高转矩、微小步进角和数个优异的特征，所以刚开始在0A关 系，其它的分类上也大幅的被使用，特别是在生产量上大半是使用在盘片记忆关系的磁头转送上。 还有，在步进角上有0.9。、1.8，其它的3.6。也有，比起其它的电机而言，具有极细的步进 角。图3为混合型步进电机的构造图，在此，在固定子上侧有8个激磁线圈部，更近一步的在磁极

8、 的先端上有复数的小齿（齿车状突极），这些是对于转子侧的齿车状磁极，还有步进电机的驱动 机械装置。转轴1#激磁线圈定子铁芯转子铁芯上，下两段图3混合型步进电机的构造图（2相单极）二，步进电机的驱动原理关于步进电机的驱动机械装置，用简单的构造图简易说明，在图4是为了要说明步进电机驱动原理的构造图，在固定架构上有4个电磁铁并列这，它的下方有一个可动磁铁对向这，而且，在磁铁的下侧上装置了引导滚轮作直线状的引导轴，沿这左、右移动 的构造。mmmH1电磁铁移动方向可动磁铁图4直线型步进电机驱动原理如此，在此对步进电动机的动作顺道追加说明，现在，电磁铁L1和可动磁铁Mg之间相互作用 产生的磁气吸引力，因而

9、在这里场合，(a)部的位置滑动部产生静止作用，其次是电磁铁L2激 磁时，刚才的电磁铁L1 OFF,由于如此可动磁铁就被吸引附在电磁铁L2的位置上，就成为在 (b)的位置上，更进一步的在电磁铁L3受激磁时，刚才的电磁铁L2 OFF，由于如此可动磁铁就 移动至电磁铁L3的位置为止，就成为在(c)的位置上。以下，依照这各动作而反复的操作，可动磁铁就会向箭头方向移动，因而，依照像这种动作顺 次的操作下，可以实现出一种致动器(在此为直线运动)，还有，在此所使用的电磁铁L1L4, 在任何可动磁铁(Mg)侧上，都以产生N极的电流流通。而且，在此所说的构造图并不是只能有4个电磁铁而已，在必要上也可增加它的对应

10、数。图4的电机为直线型运动，总之就是属于线性步进电机，因而，就如这样并不能成为转型的情 况，如此，为了要成为转型就必须下些功夫，图5为了要使刚才线性型的构造成为旋转型的总 结，所以它的驱动原理在本质上和刚才的直线运动型一样。定子铁芯转子铁芯图5作为转构造的产品三，步进电机的特点1旋转的角度和输入的脉冲成正比，因此用开回路控制即可达成高精确角度及高精度定位 的要求。2启动、停止、正反转的应答性良好，控制容易。3每一步级的角度误差小，而且没有累积误差。4在可控制的范围内，转速和脉冲的频率成正比，所以变速范围非常广。5静止时，步进电机有很高的保持转距(holding torque)，可保持在停止的位

11、置，不需使 用煞车器即不会自由转动。6在超低速有很高的转距。7可靠性高，不需保养，整各系统的价格低廉。8高速运转时容易失步9在某一频率容易产生振动或共振现象四，选择步进电机的参数引入转矩(pull-i n torque)引入转矩是指步进马达能够与输入讯号同步起动、停止时的最大力矩，因此在引入转矩以下的 区域中马达可以随着输入讯号做同步起动、停止、以及正反转，而此区域就称作自起动区 (start-stop regi on)。最大自起动转矩(maximum starti ng torque)最大自起动转矩是指当起动脉波率低于10pps时，步进马达能够与输入讯号同步起动、停止的 最大力矩。最大自起动

12、频率是指马达在无负载(输出转矩为零)时最大的输入脉波率，此时马达可以瞬间 停止、起动。脱出转矩(pull-out torque )最大自起动频率(maximum starti ng pulse rate)脱出转矩是指步进马达能够与输入讯号同步运转，但无法瞬间起动、停止时的最大力矩，因此超 过脱出转矩则马达无法运转，同时介于脱出转矩以下与引入转矩以上的区域则马达无法瞬间起 动、停止，此区域称作扭转区域（slew regi on）,若欲在扭转区域中起动、停止则必须先将马达 回复到自起动区，否则会有失步现象的发生。最大响应频率（maximum slewi ng pulse rate）最大响应频率是指

13、马达在无负载（输出转矩为零）时最大的输入脉波率，此时马达无法瞬间停 止、起动。保持转矩（holding torque）保持转矩是指当线圈激磁的情况下，转子保持不动时，外界负载改变转子位置时所需施加的最 大转矩。步进马达转矩与转速之关系为指数式反比，也就是当转速越大时转矩越小，相反的转速越小则 转矩越大，这种现象是因为激磁线圈可以视为电感与电阻的串联电路，当激磁时线圈的电流与电 阻、电感的关系如下式所示：- -（1）其中时间常数一由式（1）可知线圈之激磁电流是随时间而变，而输出转矩则与电流大小成正比，因此当转速慢时线圈电流有足够的时间达到最大值，因此输出转矩较大；相同的，当转 速提高时激磁讯号变

14、换快速，使得线圈电流减弱造成输出转矩下降。五，步进电机术语：*相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。*步数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角 所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四步执行方式即AB-BC-* CD-DA-AB，四相八步执行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。*步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用e表示。e=360度（转子齿数j*执 行步数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四步执行时步距角为e = 360度/ （50*4） = 1.8度（俗称整步），八步执行时步距角为e = 360度/

15、（50*8） =0.9度（俗称半步）。*定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误 差造成的）。*静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是 衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝 数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可 取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。六，步进电机工作过程脉冲信号的产生脉冲信号一般由CPU或单片机产生的，一般脉冲信号的比例为0.3-0.4左右，电机转速越高， 比例则越大。微处理器以四相步进电机为例，四相电机工作方式有二种，四相四步为AB-BC-CD-DA；四相八步为 AB-B-BC-C-CD-D-AB。功率放大功率放大是步进电机驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于步进电机的 动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要 达到平均电流大这就需要驱