什么是步進(jìn)電機(jī)？

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)，又稱為脈沖電機(jī)。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)時(shí)，它就可以驅(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”。 

步進(jìn)電機(jī)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)多用于數(shù)字式計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備，以及打印機(jī)、繪圖機(jī)和磁盤等裝。

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步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)

步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)的位置和速度信號(hào)不反饋給控制系統(tǒng)，如果電機(jī)工作時(shí)的位置和速度信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，那么它就屬于伺服電機(jī)。相對(duì)于伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的控制相對(duì)簡單，但不適用于精度要求較高的場合。

步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都非常的突出，優(yōu)點(diǎn)集中于控制簡單、精度高，缺點(diǎn)是噪聲、震動(dòng)和效率，它沒有累積誤差，結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便，制造成本低。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載慣量的能力大，適用于中小型機(jī)床和速度精度要求不高的地方，缺點(diǎn)是效率較低、發(fā)熱大，有時(shí)會(huì)“失步”。優(yōu)缺點(diǎn)如下所示。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 電機(jī)操作易于通過脈沖信號(hào)輸入到電機(jī)進(jìn)行控制；

2. 不需要反饋電路以返回旋轉(zhuǎn)軸的位置和速度信息（開環(huán)控制）；

3. 由于沒有接觸電刷而實(shí)現(xiàn)了更大的可靠性。

缺點(diǎn)：

1. 需要脈沖信號(hào)輸出電路；

2. 當(dāng)控制不適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，可能會(huì)出現(xiàn)同步丟失；

3. 由于在旋轉(zhuǎn)軸停止后仍然存在電流而產(chǎn)生熱量。

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步進(jìn)電機(jī)的分類

在相同電流且相同轉(zhuǎn)矩輸出的條件下，單極型步進(jìn)電機(jī)比雙極型步進(jìn)電機(jī)多一倍的線圈，成本更高，控制電路的結(jié)構(gòu)也不一樣，目前市場上流行的大多是雙極型步進(jìn)電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)在構(gòu)造上通常主要按照轉(zhuǎn)子特點(diǎn)和定子繞組進(jìn)行分類，下面將詳細(xì)介紹這兩種類型的分類。

按照轉(zhuǎn)子分類，有三種主要類型：反應(yīng)式（VR型）、永磁式（PM型）、混合式（HB型）。

反應(yīng)式

定子上有繞組，繞組由軟磁材料組成。其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、步距角小，可達(dá)1.2度，但動(dòng)態(tài)性能差，效率低、發(fā)熱大，可靠性難以保證。

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)度差，步距角大（一般為7.5度或15度）。

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(diǎn)，其定子上有很多相繞組，轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子均有多個(gè)小齒以提高步距精度。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。

步進(jìn)電機(jī)按照定子上繞組來分類，共有二相、三相和五相等系列。目前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(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度/步，配上半步驅(qū)動(dòng)器后，步距角減少為0.9度，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度/微步）。由于摩檫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)器以改變精度的效果。

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步進(jìn)電機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)是通過脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制，每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)一步。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的步距角，是在電機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上等比例控制產(chǎn)生的，如果控制電路的細(xì)分控制不變，那么步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的步距角在理論上是一個(gè)固定的角度。在實(shí)際工作中，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的步距角會(huì)有微小的差別，主要是由于電機(jī)結(jié)構(gòu)上的固定有誤差產(chǎn)生的，而且這種誤差不會(huì)積累。

步進(jìn)電機(jī)的總極數(shù)越大，加工精度的要求就會(huì)越高。通常工業(yè)用混合型步進(jìn)電機(jī)的步距角是1.8度，就是200極。

步進(jìn)電機(jī)的相電流及磁場，遵循安培右手螺旋定律，由電能產(chǎn)生磁場能量，控制電機(jī)相電流，就能使電機(jī)定子的磁極方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，二相磁場的變化相配合，進(jìn)而產(chǎn)生電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。

如果電流方向發(fā)生變化，磁極的方向也會(huì)發(fā)生變化，步進(jìn)電機(jī)的電流流過定子產(chǎn)生磁場的過程叫做勵(lì)磁。

通常所說的二相步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，包含不同磁極的磁場相斥和相吸實(shí)現(xiàn)的。如上圖所示，A相產(chǎn)生N極磁場吸引轉(zhuǎn)子的S極，B相產(chǎn)生S極磁場吸引轉(zhuǎn)子的N極，使定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。如果改變A、B相定子線圈的電流方向，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生另一步的旋轉(zhuǎn)。連續(xù)改變A、B相定子線圈的電流方向，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。

如上圖所示，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)是通過改變電流在電機(jī)中的流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，電子轉(zhuǎn)子排斥B相磁極的定子，吸引A相磁極的定子，這就產(chǎn)生了另一個(gè)步進(jìn)操作。

執(zhí)行另一個(gè)步進(jìn)操作，電機(jī)定子磁極反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子排斥B相磁極的定子，吸引A相磁極的定子，如上圖所示。

如上圖所示，定子線圈中的電流方向無論何時(shí)發(fā)生變化，磁極將會(huì)反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子重復(fù)步進(jìn)操作。東芝步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路對(duì)電機(jī)的磁場勵(lì)磁的控制，是通過脈寬調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)的，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)高效、穩(wěn)定的運(yùn)行。

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步進(jìn)電機(jī)的操作模式

步進(jìn)電機(jī)的基本操作模式稱為“勵(lì)磁模式”，能夠使步進(jìn)電機(jī)工作在全步模式、半步模式和微步模式，其中微步模式能夠有效的降低步進(jìn)電機(jī)相電流的噪聲，能夠改善步進(jìn)電機(jī)固有的噪聲震動(dòng)問題。下面將介紹3種勵(lì)磁模式。

全步模式

所謂全步模式，就是依據(jù)電機(jī)固有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)固定的步距角工作，一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)一個(gè)步距角。這個(gè)步距角使電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)所決定的，也可以理解為電機(jī)以最大的步距角旋轉(zhuǎn)。

半步模式

半步模式是以電機(jī)固有的結(jié)構(gòu)決定的步距角的一半角度進(jìn)行步進(jìn)旋轉(zhuǎn)。如下圖所示，步進(jìn)電機(jī)的總極數(shù)是4級(jí)，對(duì)應(yīng)的步距角是90度，那么半步模式下，步進(jìn)電機(jī)每個(gè)脈沖旋轉(zhuǎn)45度。

微步模式

微步模式類似于半步模式，步距角更小，就是1/4步、1/8步、1/16步，可以到很高的細(xì)分。對(duì)應(yīng)的步進(jìn)角度就是在整步步距角乘以微步系數(shù)。

步進(jìn)電機(jī)的步距角越小，需要的加工精度會(huì)越高，對(duì)應(yīng)的微步時(shí)的步進(jìn)角度的誤差會(huì)越大。

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電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器

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)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它有脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元等組成。如下圖所示。

驅(qū)動(dòng)單元與步進(jìn)電機(jī)直接耦合，也可以理解成步進(jìn)電機(jī)微機(jī)控制器的功率接口。下面將使用MCU和分離元器件的系統(tǒng)舉例說明。MCU相當(dāng)于是控制電機(jī)的大腦，它向分立器件發(fā)送電機(jī)的步距角時(shí)間、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和重復(fù)次數(shù)等，而分立器件根據(jù)MCU發(fā)出的信號(hào)，將放大電壓和電流并將其發(fā)送至電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

如上圖所示，該系統(tǒng)使用了MCU和電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器IC。從輸入控制信號(hào)來區(qū)分，步進(jìn)電機(jī)控制器IC可以分為相入力型和時(shí)鐘入力型。相入力型是指電機(jī)的每個(gè)勵(lì)磁相的電流方向由輸入信號(hào)控制，而時(shí)鐘入力型是指電機(jī)的驅(qū)動(dòng)由脈沖信號(hào)來控制。

相入力型

相入力型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要A和B兩相的控制信號(hào)，只需要時(shí)鐘信號(hào)，需要控制信號(hào)的MCU做更多的運(yùn)輸工作。

時(shí)鐘入力型

時(shí)鐘入力型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制接口，需要時(shí)鐘信號(hào)（單脈沖信號(hào)）輸入，其控制信號(hào)相對(duì)簡單，MCU的資源占用較少。

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電機(jī)驅(qū)動(dòng)安全技術(shù)

上電復(fù)位功能（POR）

上電復(fù)位功能將監(jiān)控電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的電源。為防止電機(jī)操作故障，它將強(qiáng)制關(guān)閉輸出信號(hào)直至供電電壓保持穩(wěn)定。如下圖所示。

過電流檢測功能（ISD）

過電流關(guān)斷功能將監(jiān)控輸出單元的電流，如果電流超過規(guī)定值，將強(qiáng)制關(guān)閉輸出，該功能的用途在于當(dāng)發(fā)生短路時(shí)暫時(shí)停止IC輸出。如下圖所示。

熱關(guān)斷功能（TSD）

熱關(guān)斷功能在于，當(dāng)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器芯片溫度超過規(guī)定值時(shí)關(guān)閉輸出，并保持該狀態(tài)直至溫度下降。