步進電機簡介及控制原理

步進電機是執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在國民經濟各個領域都有應用。

步進電機是一種將電脈沖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沖信號時，就驅動步進電機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，通過控制脈沖個數控制角位移量，達到準確定位的目的，同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，達到調速的目的。步進電機作為一種控制用的特種電機，其沒有積累誤差（精度為100%），被廣泛應用于各種開環控制。

一、步進電機的種類

永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體檢較小，步踞角一般為7.5度或15度，多用于空調風擺上。

反應式步進電機常見的有三相反應式，步踞角為1.5度。

混合式步進電機常見的有兩相、三相、四相、五相混合式。兩相和四相混合式可以通用驅動器，步踞角多是1.8度，具有體積小、大力距、低噪音的特點。五相混合式步踞角為0.72度，分辨率高，但是驅動電路復雜，接線麻煩。三相混合式步踞角為1.2度，其擁有比兩相、五相混合式更多的磁極，有利于電機夾角的對稱，因而比兩相、五相精度更高，誤差更小，運行更平穩。

二、步進電機的相關概念

步進電機的精度：步進電機的精度為步進角的3%—5%，且不累積。

步踞角：就是發送一個脈沖，電機對應轉動的角度。

定位轉矩：是指步進電機不通電的情況下，定子鎖住轉子的力矩。

運行頻率：步進電機不失步運行的最高頻率。

細分驅動器：主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運作精度，減少噪音。

三、步進電機的特征

1.高精度的定位。

步進電機的最大特征是能夠簡單地做到高精度的定位控制。以五相步進電機為例：其定位基本單位（分辨率）為0.72度（全步級）/0.36度（半步級），是非常小的；停止定位精度誤差皆在±3分（±0.05度）以內，且無累計誤差，因而能達到高精度的定位控制。（步進電機的定位精度取決于電機本身的機械加工精度）

2.位置及速度控制。

步進電機在輸入脈沖信號時，可以依輸入的脈沖數做固定角度的回轉，進而得到靈活的角度控制（位置控制），并可得到與該脈沖信號周波數（頻率）成比例的回轉速度。

3.具定位保持力。

步進電機在停止狀態下（無脈波信號輸入時）仍具有激磁保持力，因此，即使不依靠機械式的剎車，也能做到停止位置的保持。

4.動作靈敏。

步進電機因為加速性能優越，所以可做到瞬時起動、停止、正反轉等快速、頻繁的定位動作。

5.開回路控制，不必依賴傳感器定位。

步進電機的控制系統構成簡單，不需要速度感應器（ENCODER、轉速發電機）及位置傳感器（SENSOR），就能以輸入的脈波達到速度與位置的控制。也因其屬開回路控制，所以最適合于短距離、高頻度、高精度等定位控制的場合下使用。

6.中低速時具備高轉矩。

步進電機在中低速時具有較大的轉矩，所以能夠較同級伺服電機提供更大的扭力輸出。

7.高信賴性。

使用步進電機裝置與使用離合器、減速機及極限開關等其它裝置相較，步進電機的故障及誤動作少，所以在檢查及保養時也較簡單容易。

8.體積小，功率高。

步進電機體積小、扭力大，在狹窄的空間內也可順利做安裝，并提供高轉矩輸出。

四、步進電機的控制原理

步進電機是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。

步進電機區別于其他控制電機的最大特點是：它是通過輸入脈沖信號進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速則由脈沖信號頻率決定。

步進電機的驅動電路根據控制信號工作，而控制信號則由單片機產生。其基本原理如下：

（一）控制換相順序。

通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為A—B—C—D，通電控制脈沖就必須嚴格按照這一順序分別控制A，B，C，D，進行電的通斷。

（二）控制步進電機的轉向。

如果給定工作方式是正序換相通電，步進電機就正轉；如果按反序通電換相，步進電機就反轉。

（三）控制步進電機的速度。

如果給步進電機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它就再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。