基本介紹
- 中文名：步進電機
- 外文名：Stepper motor
- 含義：機電一體化的關鍵產品之一
- 套用：各種自動化控制系統
簡介,概況,運動原理,步進電機的分類,缺點,分類,參數,特點,常用術語,常見問題,主要套用,步進電機的選擇,套用中的注意點,功能模組設計,
簡介
步進馬達是一種將電脈衝轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈衝信號，它就驅動步進馬達按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈衝個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進馬達可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛套用於各種開環控制。
概況
運動原理
步進馬達是行業中人士對“步進電機”的另一種稱呼，步進馬達是將電脈衝信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，馬達的轉速、停止的位置只取決於脈衝信號的頻率和脈衝數，而不受負載變化的影響，即給馬達加一個脈衝信號，馬達則轉過一個步距角。這一線性關係的存在，加上步進馬達只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進馬達來控制變的非常的簡單。
申力步進電機、步進電機驅動器
申力步進電機、步進電機驅動器雖然步進馬達已被廣泛地套用，但步進馬達並不能象普通的直流馬達，交流馬達在常規下使用。它必須由雙環形脈衝信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進馬達卻非易事，它涉及到機械、馬達、電子及計算機等許多專業知識。
步進馬達是一種將電脈衝轉化為角位移的執行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈衝信號，它就驅動步進馬達按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）。您可以通過控制脈衝個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈衝頻率來控制馬達轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
步進電機的分類
步進馬達分三種：永磁式（PM） ，反應式（VR）和混合式（HB）。 永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應式步進一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等已開發國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進馬達的套用最為廣泛。
步進馬達溫度過高首先會使馬達的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至於失步，因此馬達外表允許的最高溫度應取決於不同馬達磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進馬達外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
缺點
步進馬達低速轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可採用以下方案來克服：
A.如步進馬達正好工作在共振區，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區；
B.採用帶有細分功能的驅動器，這是最常用的、最簡便的方法；
C.距角更小的步進馬達，如三相或五相步進馬達；
D.換成交流伺服馬達，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高；
E.在馬達軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產品，但機械結構改變較大。
步進馬達的細分技術實質上是一種電子阻尼技術（請參考有關文獻），其主要目的是減弱或消除步進馬達的低頻振動，提高馬達的運轉精度只是細分技術的一個附帶功能。比如對於步進角為1.8° 的兩相混合式步進馬達，如果細分驅動器的細分數設定為4，那么馬達的運轉解析度為每個脈衝0.45°，馬達的精度能否達到或接近0.45°，還取決於細分驅動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅動器精度可能差別很大；細分數越大精度越難控制。
步進馬達以其顯著的特點，在數位化製造時代發揮著重大的用途。伴隨著不同的數位化技術的發展以及步進馬達本身技術的提高，步進馬達將會在更多的領域得到套用。
分類
現較常用的步進馬達有反應式步進馬達（VR）、永磁式步進馬達（PM）、混合式步進馬達（HB）和單相式步進馬達等。其中，永磁式步進馬達一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反應式步進馬達一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進馬達的轉子磁路由軟磁材料製成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩；混合式步進馬達是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進馬達的套用最為廣泛，也是本次細分驅動方案所選用的步進馬達。
馬達控制器
馬達控制器參數
電機固有步距角：它表示控制系統每發一個步進脈衝信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），這個步距角可以稱之為‘電機固有步距角’，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。
步進馬達的相數：是指電機內部的線圈組數，常用的有二相、三相、四相、五相步進馬達。電機相數不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進馬達來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則‘相數’將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數，就可以改變步距角。
保持轉矩（HOLDINGTORQUE）：是指步進馬達通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進馬達最重要的參數之一，通常步進馬達在低速時的力矩接近保持轉矩。由於步進馬達的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進馬達最重要的參數之一。比如，當人們說2N.m的步進馬達，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進馬達。
DETENTTORQUE：是指步進馬達沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。DETENTTORQUE在國內沒有統一的翻譯方式，容易使大家產生誤解；由於反應式步進馬達的轉子不是永磁材料，所以它沒有DETENTTORQUE。
特點
1．一般步進馬達的精度為步進角的3-5%，且不累積。
2．步進馬達外表允許的最高溫度較低。
步進馬達溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至於失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決於不同電機磁性材料的退磁點。
3．步進馬達的力矩會隨轉速的升高而下降。
當步進馬達轉動時，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（或角速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。
4．步進馬達低速時可以正常運轉,但若高於一定速度就無法啟動,並伴有嘯叫聲。
步進馬達有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進馬達在空載情況下能夠正常啟動的脈衝頻率，如果脈衝頻率高於該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈衝頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然後按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。
步進馬達需要與其配套的伺服電機驅動器才能工作，它的最大特點是定位精確。因為這些特點，步進馬達在數位化製造時代發揮著重大的用途。
功率
步進電機一般在較大範圍內調速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：
P=ω·M
ω=2π·n/60
P=2πnM/60
其P為功率單位為瓦，ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉速，M為力矩單位為牛頓·米
P=2πfM/400(半步工作）其中f為每秒脈衝數（簡稱PPS)
常用術語
步距角：每輸入一個電脈衝信號時轉子轉過的角度稱為步距角。步距角的大小可以直接影響電機的運行精度；
保持轉矩：是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由於步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。比如，當人們說2Nm的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2Nm的步進電機；
定位轉矩：定位轉矩是指步進電機沒有通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。反應式步進電機的轉子不是永磁材料，所以它沒有定轉矩；
空載啟動頻率：指步進電機能夠不失步啟動的最高脈衝頻率；
啟動矩頻特性：在給定的驅動條件下，負載慣量一定時，啟動頻率與負載轉矩之間的關係稱為啟動矩頻特性，又稱牽入特性。
運行矩頻特性：在負載慣量不變時，運行頻率與負載轉矩之間的關係稱為運行矩頻特性，又稱牽出特性；
失步：步進電機運動的步數與輸入電脈衝數不想對應、動態過程結束後也不能自行消除的現象；
靜態相電流： 電機不動時每相繞組允許通過的電流，即額定電流；
最佳化半步：在原有半步的基礎上去掉強弱拍，解決了電機力矩不均的問題，所有驅動器均可通過 撥碼開關選擇電流。
常見問題
1、現象：電機低速時振動或失步，高速時正常：這是驅動電壓過高引起。電機低速時正常，高速時失步：這是驅動電壓過低引起。電機長時間低速運轉無發熱現象（電機正常工作時可高達70至80度）驅動電流過小時，電機工作時過熱：驅動電流過大的原因。
解決方法：調節驅動器電流、驅動電壓或更換驅動器。
2、現象：電機低速或高速時不轉動或者失步；負載過大。電機起動或停止時有失步或振動；電機出力過大。
解決方法：調節驅動器電流或更換電機。
3、兩相與三相步進電機步距角分別是多少？
兩相步進電機步距角為1.8度，三相步距角為1.2度。
4、步進電機正常工作時表面溫度為多少度才正常？
正常情況下步進電機表面溫度在80攝氏度以內均為正常。
5、用簡單的方法調整兩相步進電機通電後的轉動方向?
只需將電機與驅動器接線的A+和A-（或者B+和B-）對調即可。
主要套用
步進電機的選擇
步進電機有步距角（涉及到相數）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。
1、步距角的選擇
電機的步距角取決於負載精度的要求，將負載的最小解析度（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等於或小於此角度。市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度 （三相電機）等。
2、靜力矩的選擇
步進電機的動態力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恆速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。
3、電流的選擇
靜力矩一樣的電機，由於電流參數不同，其運行特性差別很大，可依據矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流。
套用中的注意點
1、步進電機套用於低速場合---每分鐘轉速不超過1000轉，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低；
2、步進電機最好不使用整步狀態，整步狀態時振動大；
3、由於歷史原因，只有標稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅動電壓伏值 ，可根據驅動器選擇驅動電壓（建議：57BYG採用直流24V-36V，86BYG採用直流50V,110BYG採用高於直流80V），當然12伏的電壓除12V恆壓驅動外也可以採用其他驅動電源， 不過要考慮溫升；
4、轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機；
5、電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而採用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度；
6、高精度時，應通過機械減速、提高電機速度,或採用高細分數的驅動器來解決，也可以採用5相電機，不過其整個系統的價格較貴，生產廠家少，其被淘汰的說法是外行話；
7、電機不應在振動區內工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決；
8、電機在600PPS（0.9度）以下工作，應採用小電流、大電感、低電壓來驅動；
9、應遵循先選電機後選驅動的原則。
功能模組設計
本模組可分為如下3個部分
· 單片機系統：控制步進電動機；
· 外圍電路：PIC單片機和步進電動機的接口電路；
· PIC程式：編寫單片機控制步進電功機的接口程式，實現三角波信號的輸出功能。
（1）步進電動機與單片機的接口。
單片機是性能極佳的控制處理器，在控制步進電機工作時，接口部件必須要有下列功能。
①電壓隔離功能。
單片機工作在5V，而步進電機是工作在幾十V，甚至更高。一旦步進電機的電壓串到單片機中，就會損壞單片機；步進電機的信號會干擾單片機，也可能導致系統工作失誤，因此接口器件必須有隔離功能。
②信息傳遞功能。
接口部件應能夠把單片機的控制信息傳遞給步進電機迴路，產生工作所需的控制信息，對應於不同的工作方式，接口部件應能產生相應的工作控制波形。
③產生所需的不同頻率。
為了使步進電機以不同的速度工作，以適應不同的目的，接口部件應能產生不同的工作頻率。
（2）電壓隔離接口。
電壓隔離接口專用於隔離低壓部分的單片機和高壓部分的步進電機驅動電路，以保證它們的正常工作。
電壓隔離接口可以用脈衝變壓器或光電隔離器，基本上是採用光電隔離器。單片機輸出信號可以通過TTL門電路或者直接送到電晶體的基極，再由電晶體驅動光電耦合器件的發光二極體。
發光二極體的光照到光電耦合器件內部的光敏管上，轉換成電信號，再去驅動步進電機的功率放大電路，電流放大接口是步進電機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進行電流放大，以便向功放電路提供足夠大的驅動電流。
（3）工作方式接口和頻率發生器。
用單片機控制步進電動機，需要在輸入輸出接口上用3條I/0線對步進電動機進行控制，這時，單片機用I/O口的RA0、RAI、RA2控制步進電動機的三相。
