步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)-來自百度百科

1、步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)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(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(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的 ； 同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(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

2、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。步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī),基于最基本的電磁鐵原理,它是一種可以自由回轉(zhuǎn)的電磁鐵,其動(dòng)作原理是依靠氣隙磁導(dǎo)的變化來

3、產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。年前后開始以控制為目的的嘗試,應(yīng)用于氫弧燈的電極輸送機(jī)構(gòu)中。這被認(rèn)為是最初的步進(jìn)電機(jī)。二十世紀(jì)初,在電話自動(dòng)交換機(jī)中廣泛使用了步進(jìn)電機(jī)。由于西方資本主義列強(qiáng)爭(zhēng)奪殖民地,步進(jìn)電機(jī)在缺乏交流電源的船舶和飛機(jī)等獨(dú)立系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。二十世紀(jì)五十年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上,對(duì)于數(shù)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(jì)算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn),步進(jìn)電機(jī)的控制方式更加靈活多樣。步進(jìn)電機(jī)相對(duì)于其它控制用途電機(jī)的最大區(qū)別是,它接收數(shù)字控制信號(hào)電脈沖信號(hào)并轉(zhuǎn)化成與之相對(duì)應(yīng)的角位移或直線位移,它本身就是一個(gè)完成數(shù)字模式轉(zhuǎn)化的執(zhí)行元件。而且它可開環(huán)位置控制,輸入一

4、個(gè)脈沖信號(hào)就得到一個(gè)規(guī)定的位置增量,這樣的所謂增量位置控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的直流控制系統(tǒng)相比,其成本明顯減低,幾乎不必進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與輸入的脈沖個(gè)數(shù)嚴(yán)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(shù)量、頻率和電機(jī)繞組的相序,即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度和方向。我國(guó)的步進(jìn)電機(jī)在二十世紀(jì)七十年代初開始起步,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(jī)不斷開發(fā),目前 ,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,特別是永磁材料、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使步進(jìn)電機(jī)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)及發(fā)展概況作為一種控制用的特種電機(jī),步進(jìn)電機(jī)無法直接接到直流或交流電源上工作,必須使

5、用專用的驅(qū)動(dòng)電源步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。在微電子技術(shù),特別計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展以前,控制器脈沖信號(hào)發(fā)生器完全由硬件實(shí)現(xiàn),控制系統(tǒng)采用單獨(dú)的元件或者集成電路組成控制回路,不僅調(diào)試安裝復(fù)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(shè)計(jì)電路。這就使得需要針對(duì)不同的電機(jī)開發(fā)不同的驅(qū)動(dòng)器,開發(fā)難度和開發(fā)成本都很高,控制難度較大,限制了步進(jìn)電機(jī)的推廣。由于步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)把電脈沖轉(zhuǎn)換成離散的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置,具有很好的數(shù)據(jù)控制特性因此 ,計(jì)算機(jī)成為步進(jìn)電機(jī)的理想驅(qū)動(dòng)源,隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,軟硬件結(jié)合的控制方式成為了主流,即通過程序產(chǎn)生控制脈沖,驅(qū)動(dòng)硬件電路。單片機(jī)通過軟件來控制步進(jìn)電機(jī) ,

6、 更好地挖掘出了電機(jī)的潛力。因此,用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì),也符合數(shù)字化的時(shí)代趨勢(shì)。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(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(shí)際應(yīng)用中一般歸類于開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)

7、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) ?；旌鲜剑夯旌鲜讲竭M(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

8、是性價(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

9、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。步進(jìn)電機(jī)（圖3）通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)。 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(huì)產(chǎn)生損耗，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標(biāo)準(zhǔn)的直流或其大小與步進(jìn)電機(jī)一般追求定位精度和力矩輸出，效率比較

10、低，電流一般比較大，且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。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?cè)缭?0 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)）的日益流行，步進(jìn)電機(jī)的使用也開步進(jìn)電機(jī)就一定能派上用場(chǎng)。步進(jìn)電機(jī)有許多種形狀和尺寸，但不論形狀可變磁阻步進(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(dòng)的。通常情況下，一根正因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的廣泛應(yīng)用,對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制的研究也越來越多,在啟動(dòng)或加速時(shí)如,轉(zhuǎn)子由于慣性而跟隨不上電信號(hào)的變化,產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或失步在停止或減速時(shí)由于同樣原因則可能

11、產(chǎn)生超步。為防止堵轉(zhuǎn)、失步和超步,提高工作頻率,要對(duì)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(shí)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(dòng)的,為了不發(fā)生失步,啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)頻率特性使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不能直接達(dá)到運(yùn)行頻率,而要有一個(gè)啟動(dòng)過程 , 即從一個(gè)低的轉(zhuǎn)速逐漸升速到運(yùn)行轉(zhuǎn)速。停止時(shí)運(yùn)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程。步進(jìn)電機(jī)

12、的輸出力矩隨著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(fù)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(gè)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(gè)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(gè)階段,要求加減速過程時(shí)間盡量的短,恒速時(shí)間盡量長(zhǎng)。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(shí)間要求最短,這就必須要求加速、減速的過程最短 , 而恒速時(shí)的速度最高。國(guó)內(nèi)外的科技工作者對(duì)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

13、指數(shù)模型、線性模型等,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)了多種控制電路,改善了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí)間,但因電機(jī)負(fù)載的變化,很難實(shí)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(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(jī)輸出力矩隨速度變化的特性,步進(jìn)電機(jī)在高速時(shí)會(huì)發(fā)生失步。步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)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

14、,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(shí)振動(dòng),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(chǎng)合,對(duì)要求較高的場(chǎng)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(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(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)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(dòng)技術(shù)。美國(guó)學(xué)者首次在美國(guó)增量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及器件年會(huì)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(dòng)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

15、熟的。我國(guó)對(duì)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究,起步時(shí)間與國(guó)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(cè)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(dòng)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(jì)帶來了方便。目前在步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)上,采用斬波恒流驅(qū)動(dòng),儀脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)、電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)控制止,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(duì)步進(jìn)電機(jī)相電流的控制是由硬件來實(shí)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

16、數(shù)多,所以器件多,體積大。先對(duì)脈沖信號(hào)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(huì)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。指標(biāo)術(shù)語(yǔ)靜態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)m 表示。n 表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一AB-BC-CD-DA-AB ，四相相數(shù)：產(chǎn)生不同對(duì)極N 、 S 磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)。常用拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即八拍運(yùn)行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A 。3、 步距角 ：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。 =360度

17、/（轉(zhuǎn)子齒數(shù) * 運(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉(zhuǎn)子齒為50 齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為 =360度 /（ 50*4 ） =1.8 度 （俗稱整步）， 八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 =360度 /（ 50*8） =0.9 度 （俗稱半步）。定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）。靜轉(zhuǎn)矩 ： 電機(jī)在額定靜態(tài)電壓作用下，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無關(guān)。雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪

18、音。步進(jìn)電機(jī)（圖5）動(dòng)態(tài)指標(biāo)術(shù)語(yǔ)1、 步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100% 。 不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)， 八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。2、失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。3、失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn) 生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。4、最大空載起動(dòng)頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動(dòng)的最大頻率。5、最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。6、運(yùn)行矩頻特

19、性：電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性，這是電機(jī)諸多動(dòng)態(tài)曲線中最重要的，也是電機(jī)選擇的根本依據(jù)。其它特性還有慣頻特性、起動(dòng)頻率特性等。電機(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定，而動(dòng)態(tài)力矩卻不然，電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大，電機(jī)輸出力矩越大，即電機(jī)的頻率特性越硬。要使平均電流大，盡可能提高驅(qū)動(dòng)電壓，采用小電感大電流的電機(jī)。7、電機(jī)的共振點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式的共振區(qū)一般在180-250pps 之間 （步距角1.8 度） 或在 400pps 左右 （步距角為0.9 度） ， 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越

20、大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。8、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：當(dāng)電機(jī)繞組通電時(shí)序?yàn)锳B-BC-CD-DA 或 （）時(shí)為正轉(zhuǎn)，通電時(shí)序?yàn)?DA-CD-BC-AB 或 （）時(shí)為反轉(zhuǎn)。特點(diǎn)特性主要特點(diǎn)1、一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。2、步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)； 一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130 度以上， 有的甚至高達(dá)攝氏200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)

21、外表溫度在攝氏80-90 度完全正常。3、步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)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。4、步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生失步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)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?gòu)牡退?/p>

22、升到高速）。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。主要特性1、步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒有脈沖的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)靜止，如果加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)，就會(huì)以一定的角度(稱為步角)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和脈沖的頻率成正比。2、三相步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度為7.5度，一圈360度，需要48 個(gè)脈沖完成。3、步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。4、改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。因此，打印機(jī)、繪圖儀、機(jī)器人等設(shè)備都以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力核心。步進(jìn)電機(jī)控制策略PID 控制P

23、ID 控制作為一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的控制方法, 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。它根據(jù)給定值r( t) 與實(shí)際輸出值c(t) 構(gòu)成控制偏差e( t) , 將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量,對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。文獻(xiàn)將集成位置傳感器用于二相混合式步進(jìn)電機(jī)中,以位置檢測(cè)器和矢量控制為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)出了一個(gè)可自動(dòng)調(diào)節(jié)的PI 速度控制器,此控制器在變工況的條件下能提供令人滿意的瞬態(tài)特性。文獻(xiàn)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)的PID 控制系統(tǒng),采用PID 控制算法得到控制量,從而控制電機(jī)向指定位置運(yùn)動(dòng)。最后,通過仿真驗(yàn)證了該控制具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。采用PID 控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、

24、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),但是它無法有效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)中的不確定信息。目前 , PID 控制更多的是與其他控制策略相結(jié)合, 形成帶有智能的新型復(fù)合控制。這種智能復(fù)合型控制具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、 自組織的能力,能夠自動(dòng)辨識(shí)被控過程參數(shù), 自動(dòng)整定控制參數(shù), 適應(yīng)被控過程參數(shù)的變化,同時(shí)又具有常規(guī)PID 控制器的特點(diǎn)。自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制是在20 世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來的自動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)分支。它是隨著控制對(duì)象的復(fù)雜化,當(dāng)動(dòng)態(tài)特性不可知或發(fā)生不可預(yù)測(cè)的變化時(shí),為得到高性能的控制器而產(chǎn)生的。 其主要優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)和自適應(yīng)速度快,能有效地克服電機(jī)模型參數(shù)的緩慢變化所引起的影響,是輸出信號(hào)跟蹤參考信號(hào)。文獻(xiàn)研究者根據(jù)步

25、進(jìn)電機(jī)的線性或近似線性模型推導(dǎo)出了全局穩(wěn)定的自適應(yīng)控制算法, 這些控制算法都嚴(yán)重依賴于電機(jī)模型參數(shù)。文獻(xiàn)將閉環(huán)反饋控制與自適應(yīng)控制結(jié)合來檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度, 通過反饋和自適應(yīng)處理,按照優(yōu)化的升降運(yùn)行曲線, 自動(dòng)地發(fā)出驅(qū)動(dòng)的脈沖串,提高了電機(jī)的拖動(dòng)力矩特性,同時(shí)使電機(jī)獲得更精確的位置控制和較高較平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速。目前,很多學(xué)者將自適應(yīng)控制與其他控制方法相結(jié)合,以解決單純自適應(yīng)控制的不足。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的魯棒自適應(yīng)低速伺服控制器,確保了轉(zhuǎn)動(dòng)脈矩的最大化補(bǔ)償及伺服系統(tǒng)低速高精度的跟蹤控制性能。文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)模糊PID 控制器可以根據(jù)輸入誤差和誤差變化率的變化 , 通過模糊推理在線調(diào)整PID 參數(shù) ,實(shí)現(xiàn)對(duì)步

26、進(jìn)電機(jī)的自適應(yīng)控制, 從而有效地提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、計(jì)算精度和抗干擾性。3 矢量控制矢量控制是現(xiàn)代電機(jī)高性能控制的理論基礎(chǔ),可以改善電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制性能。它通過磁 TOC o 1-5 h z 場(chǎng)定向?qū)⒍ㄗ与娏鞣譃閯?lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量分別加以控制,從而獲得良好的解耦特性,因此 , 矢量控制既需要控制定子電流的幅值,又需要控制電流的相位。由于步進(jìn)電機(jī)不僅存在主電磁轉(zhuǎn)矩, 還有由于雙凸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩, 且內(nèi)部磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 非線性較一般電機(jī)嚴(yán)重得多, 所以它的矢量控制也較為復(fù)雜。文獻(xiàn) 8 推導(dǎo)出了二相混合式步進(jìn)電機(jī)d-q軸數(shù)學(xué)模型,以轉(zhuǎn)子永磁磁鏈為定向坐標(biāo)系,令直軸電流id =0 ,電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與

27、i q 成正比 , 用 PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)了矢量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用傳感器檢測(cè)電機(jī)的繞組電流和轉(zhuǎn)自位置,用 PWM 方式控制電機(jī)繞組電流。文獻(xiàn)推導(dǎo)出基于磁網(wǎng)絡(luò)的二相混合式步進(jìn)電機(jī)模型, 給出了其矢量控制位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)控制策略對(duì)系統(tǒng)中的不確定因素進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償,通過最大轉(zhuǎn)矩/電流矢量控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效控制。智能控制的應(yīng)用智能控制不依賴或不完全依賴控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,只按實(shí)際效果進(jìn)行控制, 在控制中有能力考慮系統(tǒng)的不確定性和精確性, 突破了傳統(tǒng)控制必須基于數(shù)學(xué)模型的框架。目前 ,智能控制在步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用較為成熟的是模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和智能控制的集成。. 1 模糊控制

28、模糊控制就是在被控制對(duì)象的模糊模型的基礎(chǔ)上,運(yùn)用模糊控制器的近似推理等手段實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的方法。作為一種直接模擬人類思維結(jié)果的控制方式, 模糊控制已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。與常規(guī)控制相比,模糊控制無須精確的數(shù)學(xué)模型, 具有較強(qiáng)的魯棒性、自適應(yīng)性 , 因此適用于非線性、時(shí)變、時(shí)滯系統(tǒng)的控制。文獻(xiàn) 16 給出了模糊控制在二相混合式步進(jìn)電機(jī)速度控制中應(yīng)用實(shí)例。系統(tǒng)為超前角控制,設(shè)計(jì)無需數(shù)學(xué)模型,速度響應(yīng)時(shí)間短。. 2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用大量的神經(jīng)元按一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)調(diào)整的方法。它可以充分逼近任意復(fù)雜的非線性系統(tǒng),能夠?qū)W習(xí)和自適應(yīng)未知或不確定的系統(tǒng),具有很強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)性 ,因而在步進(jìn)電機(jī)

29、系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)最佳細(xì)分電流 , 在學(xué)習(xí)中使用Bay es 正則化算法,使用權(quán)值調(diào)整技術(shù)避免多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)陷入局部極小點(diǎn),有效解決了等步距角細(xì)分問題。測(cè)速方法步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。一是過載性好。其轉(zhuǎn)速不受負(fù)載大小的影響，不像普通電機(jī)，當(dāng)負(fù)載加大時(shí)就會(huì)出現(xiàn)速度下降的情況，步進(jìn)電機(jī)使用時(shí)對(duì)速度和位置都有嚴(yán)格要求。二是控制方便。步進(jìn)電機(jī)是以“步 ”為單位旋轉(zhuǎn)的，數(shù)字特征比較明顯。三是整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)的機(jī)械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)整困難，使用步進(jìn)電機(jī)后，使得整機(jī)的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單和緊湊。測(cè)速電機(jī)是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓，并傳遞到輸入端作為反饋信

30、號(hào)。測(cè)速電機(jī)為一種輔助型電機(jī)，在普通直流電機(jī)的尾端安裝測(cè)速電機(jī)，通過測(cè) 速電機(jī)所產(chǎn)生的電壓反饋給直流電源，來達(dá)到控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。功能模塊設(shè)計(jì)本模塊可分為如下3 個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)：控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；外圍電路：PIC 單片機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的接口電路； PIC 程序：編寫單片機(jī)控制步進(jìn)電功機(jī)的接口程序，實(shí)現(xiàn)三角波信號(hào)的輸出功能。（ 1 ）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與單片機(jī)的接口。單片機(jī)是性能極佳的控制處理器，在控制步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，接口部件必須要有下列功能。電壓隔離功能。單片機(jī)工作在5V，而步進(jìn)電機(jī)是工作在幾十V，甚至更高。一旦步進(jìn)電機(jī)的電壓串到單片機(jī)中，就會(huì)損壞單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)會(huì)干擾單片機(jī)，也可能導(dǎo)致系

31、統(tǒng)工作失誤，因此接口器件必須有隔離功能。信息傳遞功能。接口部件應(yīng)能夠把單片機(jī)的控制信息傳遞給步進(jìn)電機(jī)回路，產(chǎn)生工作所需的控制信息，對(duì)應(yīng)于不同的工作方式，接口部件應(yīng)能產(chǎn)生相應(yīng)的工作控制波形。產(chǎn)生所需的不同頻率。為了使步進(jìn)電機(jī)以不同的速度工作，以適應(yīng)不同的目的，接口部件應(yīng)能產(chǎn)生不同的工作頻率。（ 2）電壓隔離接口。電壓隔離接口專用于隔離低壓部分的單片機(jī)和高壓部分的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，以保證它們的正常工作。電壓隔離接口可以用脈沖變壓器或光電隔離器，基本上是采用光電隔離器。單片機(jī)輸出信號(hào)可以通過TTL 門電路或者直接送到晶體管的基極，再由晶體管驅(qū)動(dòng)光電耦合器件的發(fā)光二極管。發(fā)光二極管的光照到光電耦合器件

32、內(nèi)部的光敏管上，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的功率放大電路，電流放大接口是步進(jìn)電機(jī)功放電路的前置放大電路。它的作用是把光電隔離器的輸出信號(hào)進(jìn)行電流放大，以便向功放電路提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流。（ 3）工作方式接口和頻率發(fā)生器。用單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，需要在輸入輸出接口上用3 條 I/0 線對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，這時(shí)，單片機(jī)用I/O 口的 RA0、 RAI 、 RA2 控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的三相。優(yōu)勢(shì)及缺陷優(yōu)點(diǎn)1、電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；2、電機(jī)停轉(zhuǎn)的時(shí)候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當(dāng)繞組激磁時(shí)）；3、由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會(huì)將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性；4、優(yōu)

33、秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；5、由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機(jī)的壽命僅僅取決于軸承的壽命；6、電機(jī)的響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，因而可以采用開環(huán)控制，這使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以比較簡(jiǎn)單而且控制成本；7、僅僅將負(fù)載直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)；8、由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。缺陷1、如果控制不當(dāng)容易產(chǎn)生共振；2、難以運(yùn)轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速；3、難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩；4、在體積重量方面沒有優(yōu)勢(shì)，能源利用率低；5、超過負(fù)載時(shí)會(huì)破壞同步，高速工作時(shí)會(huì)發(fā)出振動(dòng)和噪聲。驅(qū)動(dòng)方法步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。驅(qū)動(dòng)單元與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接耦合，也可理解成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微機(jī)控制器的功率接口。驅(qū)動(dòng)要求、能夠提供較快的電流上升和下降速度，使電流波形盡量接近矩形。具有供截止期間釋放電流流通的回路，以降低繞組兩端的反電動(dòng)勢(shì)，加快電流衰減。2、具有較高韻功率及效率。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說：控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)