步進電機控制系統淺析

【摘 要】步進電機是一種數字電機，具有無累積誤差、性價比高等優點，被廣泛應用于生活和生產領域中。步進電機作為一種將電脈沖信號轉換成相應角位移的執行器件，具有定位精度高、動態力矩大、控制簡單等特點，可以直接采用數字脈沖信號進行開環控制。本文對步進電機進行了概述，研究了其優點和缺點，并對其控制系統進行了簡單的研究。

【關鍵詞】步進電機;控制系統;矩頻;運行

步進電機是一種將電脈沖信號轉化為角位移或直線位移的機電一體化執行機構。和其它電機不同之處在于它只接收脈沖控制信號，交直流電源直接供電，電機無法工作，使用時必須匹配合適型號的驅動器，由電機驅動器供給脈沖信號，所以步進電機性能的好壞很大程度上由配套的驅動器性能決定。驅動技術的不同，電機的工作性能有明顯的高低之分。由于步進電機有成本低、易于控制、定位準確及步距誤差不長期累計等優點，被廣泛應用在數控設備、機械手、繪圖機、印刷和包裝設備等工業、軍事和醫療自動化領域中。

一、步進電機概述

步進電動機又稱脈沖電機，運動形式為步進式運動，故稱為步進電動機。按脈沖信號的作用效果可分為旋轉式和直線式。每相依次輪流脈沖激勵，電機的運動形式表現為角位移量叫做旋轉式步進電機，若是直線式運動形式則稱為直線電機。應用最常見的是旋轉式步進電機，所以一般稱步進電機都是指旋轉式的電機。步進電機的步距角標注在電機銘牌上，表示電機在一個電脈沖信號激勵下轉過的角度。因為步進電機只受脈沖信號作用，它的直線位移量或角位移量與電脈沖數成正比關系，所以步進電機的運動速度也與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖信號頻率可以很方便的調節電機的轉速，并能快速起動、制動和反轉，除此之外，步進電機還擁有以下優點：

（1）電機包含部件少，可靠性高。步進電機內部采用無刷結構，不需要換向器等易損器件，相比其他電機可靠性更高，電機部件較少，使用壽命更長。

（2）無積累誤差，可直接進行開環控制。雖然步進電動機步進一步的位移量與理論的步距角之間總有一定的誤差，但因步進電機的結構特殊性，轉子步距角誤差不會將每次誤差疊加。所以，同樣成本下，步進電機無傳感器的開環控制系統，比其他電機的控制精度和定位更精確。

（3）步距角選擇范圍大且與環境無關。步距角是電機的本質屬性，每個電機的步距角都是固定不變的，與溫度、濕度、電壓等使用條件無關。而且步距角可通過細分技術在很大范圍內選擇，細分技術可以將步距角細分到千分位。

（4）簡易便捷的定位控制。由于步進電機固有步距角不會改變，通過計算旋轉一周需要的脈沖，結合細分技術很容易控制電機旋轉一定角度，比伺服電機簡易便捷。

鑒于以上優點，步進電機應用比較廣泛，相比于昂貴的伺服控制系統，步進電機的性價比很高，在數控機床、雕刻機、紡織機等設備中，步進電機是首選的執行機構。但是步進電機本身也有著以下明顯的不足之處：

（1）存在丟步或過沖、振蕩有噪聲現象。步進電機的繞組能量過剩或者不足導致轉子轉動速度快或慢于磁場旋轉速度，就會發生過沖或失步現象。電機在失步情況下運行，振蕩更加明顯，嚴重時伴有呼嘯聲，并且電機的繞組發熱加劇，影響電機壽命。

（2）運行矩頻特性。速度可以通過調節頻率在寬范圍內進行平滑變化，在控制脈沖頻率連續上升時，能維持不失步運行的最高頻率稱為運行頻率，隨著頻率的不斷升高，電機的輸出轉矩也隨之下降的特性稱為步進電機的運行矩頻特性。

（3）具有起動頻率和起動矩頻特性。起動頻率不能太高，否則會堵轉導致電機失步，無法起動。

雖然步進電機存在這些缺點，但隨著驅動器技術的發展，步進電機的性能有了顯著的改善，克服步進電機的缺陷，最大利用機構的使用性能，使步進電機應用的更加寬廣，設計高性能的驅動器顯得尤為重要。

二、步進電機分類

步進電機的種類較多，按照結構特點一般將步進電機劃分為反應式、永磁式和混合式三大類，其中應用最多的是混合式步進電機。按相數可分為二相和多相兩種。三大類型的步進電機的各個特點介紹如下：

（1）反應式步進電機（Variable Reluctance，簡稱 VR） VR 的轉子是易于磁化、易于退磁的軟磁材料，具有低矯頑力和高磁導率。定子上分布著繞組，繞組數由相數決定，轉子和繞組的磁極上都有小齒。反應式步進電機的起動和運行頻率較高，結構簡單，成本較低，步距角小，但動態特性較差。電機負載轉矩低，容易振蕩。

（2） 永磁式步進電機（Permanent Magnet，簡稱 PM） PM 的轉子是由永久磁鋼材料制成，具有磁性。定子的磁極上沒有齒，轉子和定子的極數相同，步距角通常比較大。PM 的扭矩寬硬，動態特性好，但步距角太大導致高速性能差，電機更容易震蕩。

（3） 混合式步進電機（Hybrid，簡稱 HB） HB 結合了 VR 和 PM 兩者的優點。既具有反應式步進電機的步距角小特點，又具有永磁式步進電機的輸出力矩大、繞組電感小等優點，結構上轉子是永磁體，定子激磁只需提供變化的磁場即可，因此電機效率高、電流小、發熱低。

三、步進電機控制系統概述

步進電機是一種將電脈沖轉換角位移的精確元件，它受脈沖信號控制，其位移與輸入數字脈沖個數成嚴格正比的關系。通常步進電機控制系統包括脈沖分配器和功率驅動器兩部分。

步進電機需要數字脈沖作為驅動信號，所以不能直接在交直流電源上工作，需要一個驅動器對數字脈沖進行轉換和分配。步進電機控制系統的工作性能，除與電機本身的性能和控制方法有關外，驅動技術的優劣也是一個重要因素。當電機和負載已經確定之后，整個電機控制系統的性能就取決于驅動技術和控制方法。驅動技術的不同導致的步進電機性能上的差異十分明顯，主要體現在輸出力矩的大小，電機的響應速度、在固有頻率點附近抖動等方面。應用中發現先進的驅動技術將能明顯提高步進電機的性能胃。

步進電機的驅動方式有多種，目前常用的驅動方式有恒流斬波驅動、細分驅動、升頻升壓驅動等。傳統的驅動方式只控制步進電機繞組電流的通斷，因此，在轉子齒數不變的情況下，要想提高運行時的分辨率只能改變繞組的相數。采用電流控制技術可以方便地將步進電機的步距角進行細分，從而實現對步進電機的細分控制，這使得步進電機運行時的運行精度和穩定性得到了很大程度的提高。

在眾多類型的步進電動機中，混合式步進電機應用最為普遍，但是步進電機及其系統存在低速容易振蕩、高速轉矩變小、失步等缺點，已成為阻礙步進電機發展的一些制約性因素，所以步進電機常常用于低速驅動。但在一些既需要低速運行，又需要高速運轉有力矩的場合，滿足驅動要求的驅動技術的研究顯得迫在眉急，否則整個設備的工作效率將會下降，以致影響步進電動機的應用前景。另外，步進電機需要有升降速過程才能運行平穩，即步進電機的起動特性。開始起動時，如果加在電機上脈沖信號頻率過高，則會出現失步或振蕩，電機會抖動并有呼嘯聲。因此，研制高性能的驅動控制器，既對提高我國在這方面的科學技術水平起到一定的促進作用，又具有極大的實用價值。

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作者簡介：宋健（1986—），男，漢族，山東壽光人，濰坊科技學院教師，講師，研究方向：微電子。