本文主要是關(guān)于步進電機的相關(guān)介紹，并著重對步進電機的失步和過沖現(xiàn)象進行了詳盡的闡述。

　　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，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，它就驅(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”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^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。

　　步進電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。

　　主要分類

　　步進電機從其結(jié)構(gòu)形式上可分為反應(yīng)式步進電機（Variable Reluctance，VR）、永磁式步進電機Permanent Magnet，PM）、混合式步進電機（Hybrid Stepping，HS）、單相步進電機、平面步進電機等多種類型，在我國所采用的步進電機中以反應(yīng)式步進電機為主。步進電機的運行性能與控制方式有密切的關(guān)系，步進電機控制系統(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)在實際應(yīng)用中一般歸類于開環(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)簡單、成本低、步距角小，可達1.2°、但動態(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，但這種電機精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）。

　　混合式：混合式步進電機綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點，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小齒以提高步矩精度。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(fù)雜、成本相對較高。

　　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°/步，配上半步驅(qū)動器后，步距角減少為0.9°，配上細分驅(qū)動器后其步距角可細分達256倍（0.007°/微步）。由于摩擦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)動器以改變精度和效果。

　　選擇方法

　　步進電機和驅(qū)動器的選擇方法：

　　判斷需多大力矩：靜扭矩是選擇步

　　進電機的主要參數(shù)之一。負載大時，需采用大力矩電機。力矩指標大時，電機外形也大。

　　判斷電機運轉(zhuǎn)速度：轉(zhuǎn)速要求高時，應(yīng)選相電流較大、電感較小的電機，以增加功率輸入。且在選擇驅(qū)動器時采用較高供電電壓。

　　選擇電機的安裝規(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方面的要求情況：判斷是否需細分，需多少細分。

　　根據(jù)電機的電流、細分和供電電壓選擇驅(qū)動器。

　　基本原理

　　工作原理

　　通常電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。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，電機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉(zhuǎn)動。

　　發(fā)熱原理

　　通常見到的各類電機，內(nèi)部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會產(chǎn)生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標準的直流或正弦波，還會產(chǎn)生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應(yīng)，在交變磁場中也會產(chǎn)生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關(guān)，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發(fā)熱的形式表現(xiàn)出來，從而影響電機的效率。步進電機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，因而步進電機普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機嚴重。

　　主要構(gòu)造

　　步進電機也叫步進器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，

　　人們早在20世紀20年代就開始使用這種電機。隨著嵌入式系統(tǒng)（例如打印機、磁盤驅(qū)動器、玩具、雨刷、震動尋呼機、機械手臂和錄像機等）的日益流行，步進電機的使用也開始暴增。不論在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、汽車還是娛樂業(yè)中，只要需要把某件物體從一個位置移動到另一個位置，步進電機就一定能派上用場。步進電機有許多種形狀和尺寸，但不論形狀和尺寸如何，它們都可以歸為兩類：可變磁阻步進電機和永磁步進電機。

　　步進電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線圈驅(qū)動的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。

　　步進電機加減速過程控制技術(shù)

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

　　步進電機的轉(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，而且在時間上與脈沖同步。因而在轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運行拍數(shù)一定的情況下，只要控制脈沖頻率即可獲得所需速度。由于步進電機是借助它的同步力矩而啟動的，為了不發(fā)生失步，啟動頻率是不高的。特別是隨著功率的增加，轉(zhuǎn)子直徑增大，慣量增大，啟動頻率和最高運行頻率可能相差十倍之多。

　　步進電機的起動頻率特性使步進電機啟動時不能直接達到運行頻率，而要有一個啟動過程，即從一個低的轉(zhuǎn)速逐漸升速到運行轉(zhuǎn)速。停止時運行頻率不能立即降為零，而要有一個高速逐漸降速到零的過程。

　　步進電機的輸出力矩隨著脈沖頻率的上升而下降，啟動頻率越高，啟動力矩就越小，帶動負載的能力越差，啟動時會造成失步，而在停止時又會發(fā)生過沖。要使步進電機快速的達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運行頻率下步進電機所提供的力矩，又不能超過這個力矩。因此，步進電機的運行一般要經(jīng)過加速、勻速、減速三個階段，要求加減速過程時間盡量的短，恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點到終點運行的時間要求最短，這就必須要求加速、減速的過程最短，而恒速時的速度最高。

　　國內(nèi)外的科技工作者對步進電機的速度控制技術(shù)進行了大量的研究，建立了多種加減速控制數(shù)學(xué)模型，如指數(shù)模型、線性模型等，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)了多種控制電路，改善了步進電機的運動特性，推廣了步進電機的應(yīng)用范圍指數(shù)加減速考慮了步進電機固有的矩頻特性，既能保證步進電機在運動中不失步，又充分發(fā)揮了電機的固有特性，縮短了升降速時間，但因電機負載的變化，很難實現(xiàn)而線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)境的波動而變化的特性，這種升速方法的加速度是恒定的，其缺點是未充分考慮步進電機輸出力矩隨速度變化的特性，步進電機在高速時會發(fā)生失步。

　　步進電機的細分驅(qū)動控制

　　步進電機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)和運行拍數(shù)決定，但轉(zhuǎn)子齒數(shù)和運行拍數(shù)是有限的，因此步進電機的步距角一般較大并且是固定的，步進的分辨率低、缺乏靈活性、在低頻運行時振動，噪音比其他微電機都高，使物理裝置容易疲勞或損壞。這些缺點使步進電機只能應(yīng)用在一些要求較低的場合，對要求較高的場合，只能采取閉環(huán)控制，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，這些缺點嚴重限制了步進電機作為優(yōu)良的開環(huán)控制組件的有效利用。細分驅(qū)動技術(shù)在一定程度上有效地克服了這些缺點。

　　步進電機細分驅(qū)動技術(shù)是年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅(qū)動技術(shù)。年美國學(xué)者、首次在美國增量運動控制系統(tǒng)及器件年會上提出步進電機步距角細分的控制方法。在其后的二十多年里，步進電機細分驅(qū)動得到了很大的發(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(qū)動技術(shù)的研究，起步時間與國外相差無幾。

　　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、機器人、精密測量等領(lǐng)域，如跟蹤衛(wèi)星用光電經(jīng)緯儀、軍用儀器、通訊和雷達等設(shè)備，細分驅(qū)動技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得電機的相數(shù)不受步距角的限制，為產(chǎn)品設(shè)計帶來了方便。目前在步進電機的細分驅(qū)動技術(shù)上，采用斬波恒流驅(qū)動，儀脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動、電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動控制止，，幾大大提高步進電機運行運轉(zhuǎn)精度，使步進電機在中、小功率應(yīng)用領(lǐng)域向高速且精密化的方向發(fā)展。

　　最初，對步進電機相電流的控制是由硬件來實現(xiàn)的，通常采用兩種方法，采用多路功率開關(guān)電流供電，在繞組上進行電流疊加，這種方法使功率管損耗少，但由于路數(shù)多，所以器件多，體積大。

　　先對脈沖信號疊加，再經(jīng)功率管線性放大，獲得階梯形電流，優(yōu)點是所用器件少，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)會引起失真、由于本身不可克服的缺點，因此目前已很少采用這兩類方法。

　　如何理解步進電機的失步和過沖

　　失步應(yīng)該就是漏掉了脈沖沒有運動到指定的位置。過沖應(yīng)該就是和失步相反，運動到超過了指定的位置。

　　在一些控制簡單或要求低成本的運動控制系統(tǒng)中，常會用步進電機。最大的優(yōu)勢是：以開環(huán)的方式來控制位置和速度。但正因為是開環(huán)控制，負載位置對控制回路沒有反饋，步進電機就必須正確響應(yīng)每次勵磁變化。如果勵磁頻率選擇不當，步進電機就不能夠移動到新的位置。負載實際的位置相對于控制器所期待的位置出現(xiàn)永久誤差，即發(fā)生失步現(xiàn)象或過沖想象。因此，在步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)中，如何防止失步和過沖是開環(huán)控制系統(tǒng)能否正常運行的關(guān)鍵。

　　失步和過沖現(xiàn)象分別出現(xiàn)在步進電機啟動和停止的時候。一般情況下，系統(tǒng)的極限啟動頻率比較低，而要求的運行速度往往比較高。如果系統(tǒng)以要求的運行速度直接啟動，因為該速度已經(jīng)超限，啟動頻率而不能正常啟動，起則發(fā)生丟步，重則根本不能啟動，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。系統(tǒng)運行起來后，如果達到終點時立即停止發(fā)送脈沖，令其立即停止，則由于系統(tǒng)慣性的作用，步進電機會轉(zhuǎn)過控制器所希望的平衡位置。

　　為了克服步進失步和過沖現(xiàn)象，應(yīng)該在啟動停止時加入適當?shù)募訙p速控制。我們一般采用：運動控制卡作上位控制單元、具有控制功能的PLC作上位控制單元、單片機作上位控制單元來控制運動加減速可以克服失步過沖現(xiàn)象。

　　步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。

　　步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。您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；同時您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。步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率。如果在脈沖頻率高于空載啟動頻率，步進電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有一個合理的加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。 啟動頻率 = 啟動轉(zhuǎn)速 × 每轉(zhuǎn)多少步空載啟動轉(zhuǎn)速就是步進電機不通過加減速不負載直接轉(zhuǎn)動起來。當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。

　　假設(shè)：需要減速器的總的輸出轉(zhuǎn)矩是T1，輸出的轉(zhuǎn)速是N1，減速比是5：1，步進電機的步進角度是A，那么電機的轉(zhuǎn)速是：5*（N1），那么電機的輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)該是（T1）/5，電機的工作頻率應(yīng)該是

　　5*（N1）*360/A，所以你應(yīng)該看矩頻特性曲線：坐標點［（T1）/5，5*（N1）*360/A］是不是在頻特性曲線（啟動矩頻曲線）的下面。如果在矩頻曲線的下面，你可以選擇這個電機。如果是在矩頻曲線上面，則，你不能選擇這個電機，因為會失步，或者根本就不能轉(zhuǎn)動。

　　補充：你是否確定了工作狀態(tài)，你需要的最大轉(zhuǎn)速確定了嗎，如果確定了，那就可以根據(jù)上面提供的公式進行計算，（根據(jù)轉(zhuǎn)動的最大速度，和負載的大小，你就可以確定你現(xiàn)在選用的步進電機是否適合，如果不適合你也應(yīng)該知道要選用什么樣的步進電機了）

　　另外，步進電機在啟動了以后，可以在負載不變的情況下，再提高頻率，因為步進電機矩頻曲線實際上應(yīng)該有兩條的，你有的那條應(yīng)該是啟動矩頻曲線，而另外一條是脫出矩頻曲線，這條曲線代表的含義是：在啟動頻率下啟動電機，啟動完成以后可以增加負載，但電機不會失步的狀態(tài)；或者是在啟動頻率下啟動電機，在負載不變的情況下，可以適當增加運轉(zhuǎn)速度，但電機不會失步的狀態(tài)。

　　關(guān)于步距角，比如說你是A-B-C-D-A單四拍控制，那么步距角就是一個A走過的角度，關(guān)于最大牽入頻率，其指的是A-B之間的間隔頻率，手冊里給的都是》于某個值，但是在實際應(yīng)用時感覺應(yīng)該給的值就是最大值，例如》250PPS，那么A之后的delay就滿足1/delay 《=250， delay》=4ms，給3ms它走不起來。

　　如何理解步進電機的失步和過沖

　　的確有人在研究不使用編碼器但又能檢測到丟步和堵轉(zhuǎn)。不過目前這些僅限于專利階段，還遠遠沒有成熟到可以與編碼器匹敵的地步，路還很長。

　　實際上，使用編碼器是當今步進電機的發(fā)展趨勢。而如果你還要實現(xiàn)閉環(huán)控制的話，就像必須有一個編碼器或是傳感器來把步進電機當前的旋轉(zhuǎn)狀況告訴控制器，好讓控制器做出相應(yīng)的調(diào)整（加速或減速）。這就是目前的技術(shù)狀態(tài)。

　　結(jié)語

　　關(guān)于步進電機的相關(guān)介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。

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