什么是步進(jìn)電機

       步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移或線(xiàn)位移的電動(dòng)機。每輸入一個(gè)脈沖信號，轉子就轉動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步，其輸出的角位移或線(xiàn)位移與輸入的脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比。因此，步進(jìn)電動(dòng)機又稱(chēng)脈沖電動(dòng)機。

步進(jìn)電機又稱(chēng)為脈沖電機，基于最基本的電磁鐵原理，它是一種可以自由回轉的電磁鐵，其動(dòng)作原理是依靠氣隙磁導的變化來(lái)產(chǎn)生電磁轉矩。二十世紀初，步進(jìn)電機廣泛應用在了電話(huà)自動(dòng)交換機中。由于西方資本主義列強爭奪殖民地，步進(jìn)電機在缺乏交流電源的船舶和飛機等獨立系統中得到了廣泛的使用。二十世紀五十年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用在步進(jìn)電機上，對于數字化的控制變得更為容易。到了八十年代后，由于廉價(jià)的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現，步進(jìn)電機的控制方式更加靈活多樣。 

步進(jìn)電機相對于其它控制用途電機的最大區別是，它接收數字控制信號（電脈沖信號）并轉化成與之相對應的角位移或直線(xiàn)位移，它本身就是一個(gè)完成數字模式轉化的執行元件。而且它可開(kāi)環(huán)位置控制，輸入一個(gè)脈沖信號就得到一個(gè)規定的位置增量，這樣的所謂增量位置控制系統與傳統的直流控制系統相比,其成本明顯減低，幾乎不必進(jìn)行系統調整。步進(jìn)電機的角位移量與輸入的脈沖個(gè)數嚴格成正比，而且在時(shí)間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數量、頻率和電機繞組的相序,即可獲得所需的轉角、速度和方向。 

我國的步進(jìn)電機在二十世紀七十年代初開(kāi)始起步，七十年代中期至八十年代中期為成品發(fā)展階段，新品種和高性能電機不斷開(kāi)發(fā)，目前，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是永磁材料、半導體技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，使步進(jìn)電機在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應用。 

步進(jìn)電機控制技術(shù)及發(fā)展概況

作為一種控制用的特種電機，步進(jìn)電機無(wú)法直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專(zhuān)用的驅動(dòng)電源（步進(jìn)電機驅動(dòng)器）。在微電子技術(shù)，特別計算機技術(shù)發(fā)展以前，控制器（脈沖信號發(fā)生器）完全由硬件實(shí)現，控制系統采用單獨的元件或者集成電路組成控制回路，不僅調試安裝復雜，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改變控制方案就一定要重新設計電路。這就使得需要針對不同的電機開(kāi)發(fā)不同的驅動(dòng)器，開(kāi)發(fā)難度和開(kāi)發(fā)成本都很高，控制難度較大，限制了步進(jìn)電機的推廣。 

由于步進(jìn)電機是一個(gè)把電脈沖轉換成離散的機械運動(dòng)的裝置，具有很好的數據控制特性，因此，計算機成為步進(jìn)電機的理想驅動(dòng)源，隨著(zhù)微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，軟硬件結合的控制方式成為了主流，即通過(guò)程序產(chǎn)生控制脈沖,驅動(dòng)硬件電路。單片機通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機，更好地挖掘出了電機的潛力。因此，用單片機控制步進(jìn)電機已經(jīng)成為了一種必然的趨勢，也符合數字化的時(shí)代趨勢。 

主要分類(lèi)

步進(jìn)電動(dòng)機的結構形式和分類(lèi)方法較多，一般按勵磁方式分為磁阻式、永磁式和混磁式三種；按相數可分為單相、兩相、三相和多相等形式。 

在我國所采用的步進(jìn)電機中以反應式步進(jìn)電機為主。步進(jìn)電機的運行性能與控制方式有密切的關(guān)系，步進(jìn)電機控制系統從其控制方式來(lái)看，可以分為以下三類(lèi)：開(kāi)環(huán)控制系統、閉環(huán)控制系統、半閉環(huán)控制系統。半閉環(huán)控制系統在實(shí)際應用中一般歸類(lèi)于開(kāi)環(huán)或閉環(huán)系統中。

主要構造

三相磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機模型的結構示意圖如概述圖所示。它的定、轉子鐵心都由硅鋼片疊成。定子上有六個(gè)磁極，每?jì)蓚€(gè)相對的磁極繞有同一相繞組，三相繞組接成星形作為控制繞組；轉子鐵心上沒(méi)有繞組，只有四個(gè)齒，齒寬等于定子極靴寬。 步進(jìn)電機加減速過(guò)程控制技術(shù)

正因為步進(jìn)電機的廣泛應用,對步進(jìn)電機的控制的研究也越來(lái)越多，在啟動(dòng)或加速時(shí)如果步進(jìn)脈沖變化太快，轉子由于慣性而跟隨不上電信號的變化，產(chǎn)生堵轉或失步在停止或減速時(shí)由于同樣原因則可能產(chǎn)生超步。為防止堵轉、失步和超步，提高工作頻率,要對步進(jìn)電機進(jìn)行升降速控制。 

步進(jìn)電機的轉速取決于脈沖頻率、轉子齒數和拍數。其角速度與脈沖頻率成正比，而且在時(shí)間上與脈沖同步。因而在轉子齒數和運行拍數一定的情況下，只要控制脈沖頻率即可獲得所需速度。由于步進(jìn)電機是借助它的同步力矩而啟動(dòng)的，為了不發(fā)生失步,啟動(dòng)頻率是不高的。特別是隨著(zhù)功率的增加,轉子直徑增大，慣量增大，啟動(dòng)頻率和最高運行頻率可能相差十倍之多。 

步進(jìn)電機的起動(dòng)頻率特性使步進(jìn)電機啟動(dòng)時(shí)不能直接達到運行頻率，而要有一個(gè)啟動(dòng)過(guò)程，即從一個(gè)低的轉速逐漸升速到運行轉速。停止時(shí)運行頻率不能立即降為零，而要有一個(gè)高速逐漸降速到零的過(guò)程。

步進(jìn)電機的輸出力矩隨著(zhù)脈沖頻率的上升而下降,啟動(dòng)頻率越高，啟動(dòng)力矩就越小，帶動(dòng)負載的能力越差，啟動(dòng)時(shí)會(huì )造成失步，而在停止時(shí)又會(huì )發(fā)生過(guò)沖。要使步進(jìn)電機快速的達到所要求的速度又不失步或過(guò)沖，其關(guān)鍵在于使加速過(guò)程中,加速度所要求的力矩既能充分利用各個(gè)運行頻率下步進(jìn)電機所提供的力矩，又不能超過(guò)這個(gè)力矩。因此,步進(jìn)電機的運行一般要經(jīng)過(guò)加速、勻速、減速三個(gè)階段,要求加減速過(guò)程時(shí)間盡量的短，恒速時(shí)間盡量長(cháng)。特別是在要求快速響應的工作中，從起點(diǎn)到終點(diǎn)運行的時(shí)間要求最短，這就必須要求加速、減速的過(guò)程最短，而恒速時(shí)的速度最高。 

國內外的科技工作者對步進(jìn)電機的速度控制技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，建立了多種加減速控制數學(xué)模型，如指數模型、線(xiàn)性模型等，并在此基礎上設計開(kāi)發(fā)了多種控制電路，改善了步進(jìn)電機的運動(dòng)特性，推廣了步進(jìn)電機的應用范圍指數加減速考慮了步進(jìn)電機固有的矩頻特性,既能保證步進(jìn)電機在運動(dòng)中不失步，又充分發(fā)揮了電機的固有特性，縮短了升降速時(shí)間，但因電機負載的變化，很難實(shí)現而線(xiàn)性加減速僅考慮電機在負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、負載環(huán)境的波動(dòng)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)電機輸出力矩隨速度變化的特性，步進(jìn)電機在高速時(shí)會(huì )發(fā)生失步。 

步進(jìn)電機的細分驅動(dòng)控制

步進(jìn)電機由于受到自身制造工藝的限制，如步距角的大小由轉子齒數和運行拍數決定，但轉子齒數和運行拍數是有限的，因此步進(jìn)電機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、在低頻運行時(shí)振動(dòng)，噪音比其他微電機都高,使物理裝置容易疲勞或損壞。這些缺點(diǎn)使步進(jìn)電機只能應用在一些要求較低的場(chǎng)合，對要求較高的場(chǎng)合，只能采取閉環(huán)控制，增加了系統的復雜性，這些缺點(diǎn)嚴重限制了步進(jìn)電機作為優(yōu)良的開(kāi)環(huán)控制組件的有效利用。細分驅動(dòng)技術(shù)在一定程度上有效地克服了這些缺點(diǎn)。 

步進(jìn)電機細分驅動(dòng)技術(shù)是年代中期發(fā)展起來(lái)的一種可以顯著(zhù)改善步進(jìn)電機綜合使用性能的驅動(dòng)技術(shù)。年美國學(xué)者、首次在美國增量運動(dòng)控制系統及器件年會(huì )上提出步進(jìn)電機步距角細分的控制方法。在其后的二十多年里,步進(jìn)電機細分驅動(dòng)得到了很大的發(fā)展。逐步發(fā)展到上世紀九十年代完全成熟的。我國對細分驅動(dòng)技術(shù)的研究,起步時(shí)間與國外相差無(wú)幾。 

在九十年代中期的到了較大的發(fā)展。主要應用在工業(yè)、航天、機器人、精密測量等領(lǐng)域,如跟蹤衛星用光電經(jīng)緯儀、軍用儀器、通訊和雷達等設備,細分驅動(dòng)技術(shù)的廣泛應用,使得電機的相數不受步距角的限制,為產(chǎn)品設計帶來(lái)了方便。目前在步進(jìn)電機的細分驅動(dòng)技術(shù)上,采用斬波恒流驅動(dòng),儀脈沖寬度調制驅動(dòng)、電流矢量恒幅均勻旋轉驅動(dòng)控制止，大大提高步進(jìn)電機運行運轉精度,使步進(jìn)電機在中、小功率應用領(lǐng)域向高速且精密化的方向發(fā)展。 

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混合式步進(jìn)電機