步进电机工作原理

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。因此，步进电动机又称脉冲电动机。

步进电机

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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

概况

作为一种控制用的特种电机，步进电机无法直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电机驱动器）。

在微电子技术，特别计算机技术发展以前，控制器（脉冲信号发生器）完全由硬件实现，控制系统采用单独的元件或者集成电路组成控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。

这就使得需要针对不同的电机开发不同的驱动器，开发难度和开发成本都很高，控制难度较大，限制了步进电机的推广。

由于步进电机是一个把电脉冲转换成离散的机械运动的装置，具有很好的数据控制特性，因此，计算机成为步进电机的理想驱动源，随着微电子和计算机技术的发展，软硬件结合的控制方式成为了主流，即通过程序产生控制脉冲,驱动硬件电路。

单片机通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出了电机的潜力。因此，用单片机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。

在步进驱动系统里面有直流和交流之说，主要是指给步进驱动器提供的电源是直流还是交流，如EZM872输入的电源是20~80VDC，即直流步进驱动系统，但是如EZM872H输入的电源是18~80VAC，即交流步进驱动系统。

一般说流过电机绕组的电流是直流就是直流电机，如果流过绕组的电流是交流就是交流电机，但是就步进电机而言，流过绕组的电流是直流还是交流与其控制方式有关，如果采用单极性控制流过电机绕组的电流是直流，但是采用双极性控制流过电机绕组的电流是交流。

分析

步进电机相对于其它控制用途电机的最大区别是，它接收数字控制信号（电脉冲信号）并转化成与之相对应的角位移或直线位移，它本身就是一个完成数字模式转化的执行元件。

而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流控制系统相比,其成本明显减低，几乎不必进行系统调整。

以1.8度两相步进电机为例：当两相绕组都通电励磁时，电机输出轴将静止并锁定位置。在额定电流下使电机保持锁定的最大力矩为保持力矩。

如果其中一相绕组的电流发生了变向，则电机将顺着一个既定方向旋转一步（1.8度）。同理，如果是另外一项绕组的电流发生了变向，则电机将顺着与前者相反的方向旋转一步（1.8度）。

当通过线圈绕组的电流按顺序依次变向励磁时，则电机会顺着既定的方向实现连续旋转步进，运行精度非常高。对于 1.8度两相步进电机旋转一周需200步。

特性

步进电机的重要特征之一是高力矩、小体积。这些特征使得电机具有优秀的加速和响应，使得这些电机非常适合那些需要频繁启动和停止的应用中。

相同尺寸下的伺服电机与步进电机的速度力矩特性比较

绕组通电时步进电机具有全部的保持力矩。这就意味着步进电机可以在不使用机械刹车的情况下保持在停止位置。

一旦电源被切断，电机自身的保持力矩丢失，电机不能在垂直操作中或施加外力作用下保持在停止位置。在提升和其它相似应用中需要使用带电磁刹车的电机。

组成

步进电机一般由前后端盖、轴承、中心轴、转子铁芯、定子铁芯、定子组件、波纹垫圈、螺钉等部分构成，步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，是由缠绕在电机定子齿槽上的线圈驱动的。

通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在定子齿槽上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。

单极性、双极性---是电机绕组电流的流动方向；

两相、三相、五相---是绕组的数量；

4线制、6线制---是接入电机的驱动供电线数量。

控制方法

步进电机驱动器根据外来的控制脉冲和方向信号，通过其内部的逻辑电路，控制步进电机的绕组以一定的时序正向或反向通电， 使得电机正向/反向旋转，或者锁定。

需高精度定位的系统如下所示。控制器发出的脉冲信号可以准确地控制步进电机的转动角度和速度

脉冲信号是一个电压反复在ON 和OFF 之间改变的电信号。

每个ON/OFF周期被记为一个脉冲。单个脉冲信号指令使电机出力轴转动一步。

对应电压ON和OFF情况下的信号电平被分别称为“H”和“L”。

位置控制

步进电机的角位移量与输入的脉冲个数严格成正比，而且在时间上与脉冲同步。

因而只要控制脉冲的数量、频率和电机绕组的相序,即可获得所需的转角、速度和方向。

步进电机以一个固定的步距角转动，就像时钟内的秒针。这个角度称为基本步距角。

两种基本步距角来作为标准电机：基本步距角为1.8°两相步进电机和基本步距角为1.2°的三相步进电机。

除标准电机以外，也有其它基本步距角的步进电机，分别是0.72°，0.9°，1.5°，3.6°，3.75°

转动距离

步进电机的转动距离正比于施加到驱动器上的脉冲信号数（脉冲数）。

步进电机转动（电机出力轴转动角度）和脉冲数的关系如下所示：

转动速度

步进电机的转速与施加到驱动器上的脉冲信号频率成比例关系。

电机的转速[r/min] 与脉冲频率[Hz] 的关系如下（整步模式）：

单极性和双极性

单极性 (unipolar) 和双极性 (bipolar) 是步进电机最常采用的两种驱动架构。

单极性

单极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机结构则如图1所示包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接。

单极性：表示只有单一极性电平的脉冲信号，如： +5V(或-5V)。就是只有正信号，或只有负信号。在加电的过程中，对每个出线端来说，加电的极性不变。即按特定次序对 A+，B+，A-，B-，加电。

不改变绕组电流的方向，只是对几个绕组依次循环通电。比如说四相电机，有四个绕组，分别为ABCD

(1)：AB--BC--CD--DA--AB

(2)：A--AB--B--BC--C--CD--D—DA(注：AB意为AB两个绕组同时通电，类似者同)

这类电机有时又称为四相电机，但这种称呼容易令人混淆又不正确，因为它其实只有两个相位，精确的说法应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。

双极性

双极性步进电机的驱动电路则如图2所示，它会使用八颗晶体管来驱动两组相位。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机，虽然四线式电机只能使用双极性驱动电路，它却能大幅降低量产型应用的成本。

双极性：表示具有双向极性电平的脉冲信号，如： +5V与-5V，都有。就是既有正信号，也有负信号。在加电的过程中，对每个线圈来说，电流方向要改变。即：A+→A-;B+→B-，A+←A-，B+←B-;(箭头代表电流方向)

双极性不只是对几个绕组依次循环通电，而且还要改变绕组的电流的方向。如四线双极性电机，有两个绕组A和B，A绕的两端分别为A1、A2;B绕的两端分别为B1、B2.

运行方式：A1→A2-----B1→B2-----A2→A1-----B2→B1-----A1→A2

双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍，其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动，上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，所以它不像单极性驱动电路一样需要箝位电路。

线圈绕组

双极性电机每相上只有一个绕组线圈，电机连续旋转时电流要在同一线圈内依次变向励磁，驱动电路设计上需要八个电子开关进行顺序切换。

单极性电机每相上有两个极性相反的绕组线圈，电机连续旋转时只要交替对同一相上的两个绕组线圈进行通电励磁。驱动电路设 计上只需要四个电子开关。

在双极性驱动模式下，因为每相的绕组线圈为100%励磁，所以双极性驱动模式下电机的输出力矩比单极性驱动模式下提高了约 40%。

步进电机的失步

步进电动机正常工作时，每接收一个控制脉冲就移动一个步距角，即前进一步。若连续地输入控制脉冲，电动机就相应地连续转动。步进电动机失步包括丢步和越步。丢步时，转子前进的步数小于脉冲数；越步时，转子前进的步数多于脉冲数。一次丢步和越步的步距数等于运行拍数的整数倍。丢步严重时，将使转子停留在一个位置上或围绕一个位置振动，越步严重时，机床将发生过冲。步进电动机是开环进给系统中的一个重要环节，其性能直接影响着数控系统的性能。电动机失步会影响数控系统的稳定性和控制精度，造成数控机床加工精度下降。

转子的加速度慢于步进电动机的旋转磁场

转子的力n速度慢于步进电动机的旋转磁场，即低于换相速度时，步进电动机会产生失步。

这是因为输入电动机的电能不足，在步进电动机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转速度，从而引起失步。

由于步进电动机的动态输出转矩随着连续运行频率的上升而降低，因而，凡是比该频率高的工作频率都将产生丢步。这种失步说明步进电动机的转矩不足，拖动能力不够。

• 使步进电动机本身产生的电磁转矩增大。为此可在额定电流范围内适当加大驱动电流；在高频范围转矩不足时，可适当提高驱动电路的驱动电压；改用转矩大的步进电动机等。
• 使步进电动机需要克服的转矩减小。为此可适当降低电动机运行频率，以便提高电动机的输出转矩；设定较长的加速时间，以便转子获得足够的能量。

转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度

转子的平均速度高于定子磁场的平均旋转速度，这时定子通电励磁的时间较长，大于转子步进一步所需的时间，则转子在步进过程中获得了过多的能量，使得步进电动机产生的输出转矩增大，从而使电动机越步。

当用步进电动机驱动那些使负载上、下动作的机构时，更易产生越步现象，这是因为负载向下运动时，电动机所需的转矩减小。

解决方法：减小步进电动机的驱动电流，以便降低步进电动机的输出转矩。

步进电动机及所带负载存在惯性

由于步进电动机自身及所带负载存在惯性，使得电动机在工作过程中不能立即起动和停止，而是在起动时出现丢步，在停止时发生越步。

解决方法：通过一个加速和减速过程，即以较低的速度起动，而后逐渐加速到某一速度运行，再逐渐减速直至停止。进行合理、平滑的加减速控制是保证步进驱动系统可靠、高效、精确运行的关键。

步进电动机产生共振

步进电动机处于连续运行状态时，如果控制脉冲的频率等于步进电动机的固有频率，将产生共振。

在一个控制脉冲周期内，振动得不到充分衰减，下一个脉冲就来到，因而在共振频率附近动态误差最大并会导致步进电动机失步。

解决方法：适当减小步进电动机的驱动电流；采用细分驱动方法；采用阻尼方法，包括机械阻尼法。以上方法都能有效消除电动机振荡，避免失步现象发生。​​​​