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步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)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(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)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)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(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，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，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進(jìn)電機(jī)分時供電的，多相時序控制器。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、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(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計算機(jī)等許多專業(yè)知識。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)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。
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(dá)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(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。其特點是動態(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°）。
混合式：混合式步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)，約占97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細(xì)分驅(qū)動器后效果良好。該種電機(jī)的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅(qū)動器后，步距角減少為0.9°，配上細(xì)分驅(qū)動器后其步距角可細(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)動器以改變精度和效果。
選擇方法
步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)之一。負(fù)載大時，需采用大力矩電機(jī)。力矩指標(biāo)大時，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，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)動器時采用較高供電電壓。
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(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)動器。
基本原理
工作原理
通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)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(dāng)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(jī)轉(zhuǎn)動一個角度前進(jìn)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(jī)就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。
發(fā)熱原理
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(biāo)準(zhǔn)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(jī)的效率。步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)普遍存在發(fā)熱情況，且情況比一般交流電機(jī)嚴(yán)重。
步進(jìn)電機(jī)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(jī)。在未發(fā)生失步情況下，電機(jī)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)并不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個脈沖信號時，電機(jī)就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)一個固定的角度（步進(jìn)角或步距角），通過控制脈沖數(shù)和脈沖頻率來控制電機(jī)角位移量及電機(jī)轉(zhuǎn)速從而達(dá)到精確的開環(huán)控制。另外，步進(jìn)電機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)過的角度與理論步距之間總有一定的誤差，從某一步到任何一步，也總有一定的誤差，但是，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不失步的情況下，其步距誤差不會長期累積。
上面提到的都是在不失步的情況，如何才能避免失步呢？首先我們需要知道造成電機(jī)失步的因素：
1：步進(jìn)電機(jī)選型不當(dāng)，電機(jī)力矩不夠或者物體運(yùn)動的慣量超過電機(jī)自鎖力，造成的丟步或失步
2：驅(qū)動器選型不當(dāng)，配套的驅(qū)動器電流偏小，影響電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)在市面上很多電流虛標(biāo)的驅(qū)動器，拿峰值電流當(dāng)額定電流來忽悠消費者，驅(qū)動器選型額定電流應(yīng)大于步進(jìn)電機(jī)額定電流的1.2-1.5倍
3：配套電源選型不當(dāng)，配套電源應(yīng)是驅(qū)動器額定電源的1.5-2倍，電源虛標(biāo)比驅(qū)動器虛標(biāo)更嚴(yán)重
4：控制部分應(yīng)排除干擾，遠(yuǎn)離變頻器，防靜電。設(shè)備做好接地處理，防止感應(yīng)電，信號線做好屏蔽處理 ，設(shè)置好適當(dāng)啟動頻率，并做好加減速
轉(zhuǎn)子加速度慢于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場即轉(zhuǎn)子速度低于換相速度時，電機(jī)會產(chǎn)生失步，這是因為輸入電機(jī)的電能不足，產(chǎn)生的力矩?zé)o法使轉(zhuǎn)子速度跟上定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，從而引起失步。轉(zhuǎn)子平均速度高于定子磁場平均旋轉(zhuǎn)速度，這是定子通電勵磁的時間較長，大于步進(jìn)所需的時間，轉(zhuǎn)子在步進(jìn)過程中獲得過多的能量，導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩過大從而引起電機(jī)越步。
以上導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步的原因?qū)嵸|(zhì)是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器選擇不當(dāng)而導(dǎo)致，只有選擇正確合適的步進(jìn)驅(qū)動器才能使步進(jìn)電機(jī)發(fā)揮其控制精確的優(yōu)勢。選擇合適的驅(qū)動器需要根據(jù)電機(jī)的電流，配用大于或等于此電流的驅(qū)動器。如果需要低振動或高精度時，可配用細(xì)分型驅(qū)動器。對于大轉(zhuǎn)矩電機(jī)，盡可能用高電壓型驅(qū)動器，以獲得良好的高速性能。同時對于驅(qū)動電源，很多人直接使用開關(guān)電源作為驅(qū)動電源，但是，一般最好不要使用開關(guān)電源，特別是大力矩電機(jī)，除非選用比需要的功率大一倍以上的開關(guān)電源。因為，電機(jī)工作時是大電感型負(fù)載，會對電源端形成瞬間的高壓。而開關(guān)電源的過載性能不好，會保護(hù)關(guān)斷，且其精密的穩(wěn)壓性能又不需要，有時可能造成開關(guān)電源和驅(qū)動器的損壞。對于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源，可以用常規(guī)的環(huán)形或R 型變壓器變壓的直流電源。
步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生共振是因為電機(jī)接收的脈沖頻率等于步進(jìn)電機(jī)的固有頻率，該頻率與驅(qū)動器的細(xì)分有關(guān)系。我們一般使用步進(jìn)電機(jī)時，驅(qū)動器的細(xì)分能力很重要，共振范圍越小越好。對于電機(jī)負(fù)載慣性較大是由于電機(jī)超載而引起，因此在使用時只需注意不要讓電機(jī)過載即可避免。
1，微步電流曲線
在大量微步驅(qū)動系統(tǒng)中，結(jié)合步距角的不均勻性對步進(jìn)電機(jī)失步的影響，采用電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)的細(xì)分方法是比較理想的，以兩相混合式步進(jìn)電機(jī)為例，通過對電機(jī)兩相繞組加上正弦電流來實現(xiàn)定子電流合成矢量的“恒幅、均勻”，微步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的兩相繞組電流的數(shù)學(xué)模型表示為：微步參數(shù)可以預(yù)先計算出來，以表格的形式存儲在EPROM中，進(jìn)行查表獲得參數(shù)值，通過微步的方式來實現(xiàn)頻率的改變，因為不需要經(jīng)過復(fù)雜的計算，就不會過多占用CPU的時間，同時這種方式還可以擬合出更接近理想變化曲線的頻率變化來實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的加速和減速的平穩(wěn)控制，另外采用這種細(xì)分方法也在很大程度上解決了微步距角的不均勻性問題，這將廣泛用于精度要求不是特別高的步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中。
2，驅(qū)動線路的選擇
避免失步和減小振動的另一措施在于驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式有很多種，包括單、雙電壓驅(qū)動，高低電壓驅(qū)動，0橋驅(qū)動，升頻升壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動和脈寬調(diào)制（PWM）恒流驅(qū)動等，由于微步驅(qū)動需要控制相繞組電流的大小，因此只有單電壓串電阻驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動以及PWM恒流驅(qū)動的適合微步驅(qū)動控制，單電壓串電阻驅(qū)動方式由于串接的電阻導(dǎo)致電路時間常數(shù)降低，截止時續(xù)回流時間常數(shù)大幅度下降，從而加速電流泄放，有利于提高步進(jìn)電機(jī)的高頻響應(yīng)，同時也因為回路增加的阻尼利于減少電機(jī)的共振，但其主要缺點是損耗大，效率低;采用斬波恒流驅(qū)動時，驅(qū)動電壓較高，電流上升很快，當(dāng)達(dá)到所需要的數(shù)值時，由于取樣電阻反饋控制作用，繞組電流可以恒定在確定的數(shù)值上，而且不隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)電機(jī)都能輸出恒定的轉(zhuǎn)矩，同時采用斬波恒流驅(qū)動的另一優(yōu)點是減少了電機(jī)共振現(xiàn)象的發(fā)生，由于電機(jī)共振的基本原因是能量過剩，而斬波恒流驅(qū)動輸入的能量是自動隨著繞組電流調(diào)節(jié)，能量過剩時，續(xù)流時間延長，而供電時間減小，因此可減小能量的積聚PWM恒流驅(qū)動用數(shù)字脈沖直接控制電流波形的占空比，比斬波恒流驅(qū)動的電路更簡單，也更適合于單片機(jī)直接采用數(shù)字信號控制，因此選擇采用PWM恒流驅(qū)動的驅(qū)動器。
3，加速曲線的選擇
在控制步進(jìn)電機(jī)的失步方面，步進(jìn)電機(jī)的加速曲線也非常重要，加速的規(guī)律一般有兩種，一是按照直線規(guī)律升速，二是按指數(shù)規(guī)律升速！按直線規(guī)律升速時加速度為恒定，因此要求步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值，從電機(jī)本身的特性來看，在轉(zhuǎn)速不是很高的范圍內(nèi)，輸出的轉(zhuǎn)矩可基本認(rèn)為恒定！但實際上電機(jī)轉(zhuǎn)速升高時，由于反電動勢和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減少，因此輸出轉(zhuǎn)矩將有所下降，按指數(shù)規(guī)律升速，加速度逐漸下降，接近電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律，微機(jī)在控制步進(jìn)電機(jī)的加速過程中，可用離散辦法來逼近理想的升降曲線。
4，減輕電磁干擾的措施
針對單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)電磁干擾方面主要采取以下一些措施：在單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動回路中加入光電隔離電路可以有效抑制電磁干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性;在驅(qū)動回路中降低，開關(guān)的導(dǎo)通速度，這樣可以減小產(chǎn)生電磁干擾的強(qiáng)度，也可添加吸收回路，抑制浪涌的產(chǎn)生，合理選擇主變壓器的鐵芯結(jié)構(gòu)，降低漏磁強(qiáng)度;另外一個比較重要的方面就是電子線路的合理布局，控制干擾源與被干擾元件的距離和相對方向，使敏感元件遠(yuǎn)離干擾源，不同用途的聯(lián)接線要分開，不走平行線，一個回路的布線在中間位置相互交叉且回路左右兩半的面積要大致相等，減少感生電勢，導(dǎo)線宜選用屏蔽線以及合理的接地設(shè)計等，采取這些措施將有效地減少電磁干擾對單片機(jī)控制系統(tǒng)的影響。
