步進電機控制工作原理
步進電機的名稱
步進電機(stepping motor),步進電機(step motor)，或者是脈沖電機(pulse motor)，其它的如(stepper motor)等……有著各式各樣的稱呼方式，這些用日本話來表示的時候，就成為階動電動機，還有，階動就是一步一步階段動作的意思，這各用另外一種語言來表示時，就是成為步進驅動的意思，總之，就是輸入一個脈沖就會有一定的轉角，分配轉軸變位的電動機。
步進電機簡介：
步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓�位移的開環(huán)控制組件。
在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號， 電機則轉過一個步距角。
這一線性關系的存在，加上步進電機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電機來控制變的非常的簡單。
單相步進電機有單路電脈沖驅動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅動。多相步進電機有多相方波脈沖驅動，用途很廣。使用多相步進 電機時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器轉換為多相脈沖信號，在經(jīng)功率放大后分別送入步進電機各項繞組。每輸入一個脈沖到脈沖分配器，電機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉子會轉過一定的角度（稱為步距角）。正常情況下，步進 電機轉過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電機的轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。在非超載的情況下， 電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。
步進電機按旋轉結構分兩大類：1是圓型旋轉電機如下圖A 2直線型電機，結構就象一個圓型旋轉電機被展開一樣，如下圖B
一，步進電機的種類
現(xiàn)在，在市場上所出現(xiàn)的步進電機有很多種類，依照性能及使用目的等有各自不同的區(qū)分使用。
舉個例子，各自不同的區(qū)分使用有精密位置決定控制的混合型，或者是低價格想用簡易控制系構成的PM型，由于電機的磁氣構造分類， 因此就性能上來說就會有影響，其它的有依步進 電機的外觀形狀來分類，也有由驅動相數(shù)來分類，和驅動回路分類等。
以步進電機的轉子的材料可以分為三大類。
〈1〉PM型步進電機:永久磁鐵型(permanent magnet type)
〈2〉VR型步進電機:可變磁阻型(variable erluctance type)
〈3〉HB型混合型步進電機，復合型(hybrid type)
1，PM型
PM型步進電機的原理構造如圖1所示，轉子是永久磁鐵所構成，更進一步的往這個周圍配置了復數(shù)個的固定子。
在圖2.2.1上，轉子磁鐵為N、S一對，而它的固定子線圈由4個構成，這些因為和步進角有直接關系，所以如需要較微細的步進角時，轉子磁鐵的極數(shù)和發(fā)生驅動力的固定子線圈的數(shù)不能不對應的增加，還有在圖1的構造步進角為90°。
圖1 PM型步進電機的原理圖(2相單極)
而且，PM型的特征是因為在轉子是永久磁鐵構成的，所以就算在無激磁(固定子的任何線圈不通電時)也需在一定程度上保持了轉矩的發(fā)生，因而，依照利用這種的性質(zhì)效果，可以構成省能積形的系統(tǒng)。
這種的步進電機，它的步進角種類很多，釤鈷系磁鐵的轉子是用在45°或者90°上，而且這些也可以用氟萊鐵(ferrite)磁鐵作為多極的充磁，有3.75°、11.25°、15°、18°、22.5°等豐富的種類，但是從這些數(shù)字上看7.5°(轉48步進)是最為普及化的。
2， VR型
VR型步進電機的構造，如圖2所示，轉子是利用轉子的突極吸引所發(fā)生的轉力，因而VR型在無激磁的時候，并不發(fā)生保持轉矩。
圖2 VR型步進電機的原理圖(2相單極)
主要的用途適用在比較大的轉矩上的工作機械，或者特殊使用的小型起動機的上卷機械上。其它也有用在出力為1W以下的超小型電機上，總之，VR型的數(shù)量是非常少的，在步進 電機的全部生產(chǎn)量上只有數(shù)%程度而已。
還有，步進角的種類有15°、7.5°、也有1.8°，但是在數(shù)量上以1.5°步進為最普及化。
3 ，HB混合型
混合型步進電機，是由固定子磁(齒)極以及和它對向的轉子磁極所構成的，更近一步的它的轉子有這多數(shù)的齒車狀，在這些上是由轉軸和在同方向被磁化的永久磁鐵所組合而成，還有在構造上比前面的PM型以及VR型更復雜，基本上是可以考慮由VR型和PM型一體化的構造。
hybrid type型有混合型的意思存在，這個剛好是VR型和PM型兩者組合的情況，所以就有如此的稱呼。
一般上混合型，因具有高精度、高轉矩、微小步進角和數(shù)個優(yōu)異的特征，所以剛開始在OA關系，其它的分類上也大幅的被使用，特別是在生產(chǎn)量上大半是使用在盤片記憶關系的磁頭轉送上。
還有，在步進角上有0.9°、1.8°，其它的3.6°也有，比起其它的電機而言，具有極細的步進角。
圖3為混合型步進電機的構造圖，在此，在固定子上側有8個激磁線圈部，更近一步的在磁極的先端上有復數(shù)的小齒(齒車狀突極) ，這些是對于轉子側的齒車狀磁極，還有步進電機的驅動機械裝置。
圖3混合型步進電機的構造圖(2相單極)
二，步進電機的驅動原理
關于步進電機的驅動機械裝置，用簡單的構造圖簡易說明，在圖4
是為了要說明步進電機驅動原理的構造圖，在固定架構上有4個電磁鐵并列這，它的下方有一個可動磁鐵對向這，而且，在磁鐵的下側上裝置了引導滾輪作直線狀的引導軸，沿這左、右移動的構造。
圖4 直線型步進電機驅動原理
如此，在此對步進電動機的動作順道追加說明，現(xiàn)在，電磁鐵L1和可動磁鐵Mg之間相互作用產(chǎn)生的磁氣吸引力，因而在這里場合，(a)部的位置滑動部產(chǎn)生靜止作用，其次是電磁鐵L2激磁時，剛才的電磁鐵L1 OFF，由于如此可動磁鐵就被吸引附在電磁鐵L2的位置上，就成為在(b)的位置上，更進一步的在電磁鐵L3受激磁時，剛才的電磁鐵L2 OFF，由于如此可動磁鐵就移動至電磁鐵L3的位置為止，就成為在(c)的位置上。
以下，依照這各動作而反復的操作，可動磁鐵就會向箭頭方向移動，因而，依照像這種動作順次的操作下，可以實現(xiàn)出一種致動器(在此為直線運動)，還有，在此所使用的電磁鐵L1~L4，在任何可動磁鐵(Mg)側上，都以產(chǎn)生N極的電流流通。
而且，在此所說的構造圖并不是只能有4個電磁鐵而已，在必要上也可增加它的對應數(shù)。
圖4的電機為直線型運動，總之就是屬于線性步進電機，因而，就如這樣并不能成為轉型的情況，如此，為了要成為轉型就必須下些功夫，圖5為了要使剛才線性型的構造成為旋轉型的總結，所以它的驅動原理在本質(zhì)上和剛才的直線運動型一樣。
圖5 作為轉構造的產(chǎn)品
三，步進電機的特點
〈1〉 旋轉的角度和輸入的脈沖成正比，因此用開回路控制即可達成高精確角度及高精度定位的要求。
〈2〉 啟動、停止、正反轉的應答性良好,控制容易。
〈3〉 每一步級的角度誤差小，而且沒有累積誤差。
〈4〉 在可控制的范圍內(nèi)，轉 速和脈沖的頻率成正比，所以變速范圍非常廣。
〈5〉 靜止時，步進電機有很高的保持轉距(holding torque)，可保持在停止的位置，不需使用煞車器即不會自由轉動。
〈6〉 在超低速有很高的轉距。
〈7〉 可靠性高，不需保養(yǎng)，整各系統(tǒng)的價格低廉。
〈8〉 高速運轉時容易失步
〈9〉 在某一頻率容易產(chǎn)生振動或共振現(xiàn)象
四，選擇步進電機的參數(shù)
引入轉矩(pull-in torque)
引入轉矩是指步進馬達能夠與輸入訊號同步起動、停止時的最大力矩，因此在引入轉矩以下的區(qū)域中馬達可以隨著輸入訊號做同步起動、停止、以及正反轉，而此區(qū)域就稱作自起動區(qū)(start-stop region)。
最大自起動轉矩(maximum starting torque)
最大自起動轉矩是指當起動脈波率低于10pps時，步進馬達能夠與輸入訊號同步起動、停止的最大力矩。
最大自起動頻率是指馬達在無負載（輸出轉矩為零）時最大的輸入脈波率，此時馬達可以瞬間停止、起動。
脫出轉矩(pull-out torque)最大自起動頻率(maximum starting pulse rate)
脫出轉矩是指步進馬達能夠與輸入訊號同步運轉，但無法瞬間起動、停止時的最大力矩，因此超過脫出轉矩則馬達無法運轉，同時介于脫出轉矩以下與引入轉矩以上的區(qū)域則馬達無法瞬間起動、停止，此區(qū)域稱作扭轉區(qū)域(slew region)，若欲在扭轉區(qū)域中起動、停止則必須先將馬達回復到自起動區(qū)，否則會有失步現(xiàn)象的發(fā)生。
最大響應頻率(maximum slewing pulse rate)
最大響應頻率是指馬達在無負載（輸出轉矩為零）時最大的輸入脈波率，此時馬達無法瞬間停止、起動。
保持轉矩(holding torque)
保持轉矩是指當線圈激磁的情況下，轉子保持不動時，外界負載改變轉子位置時所需施加的最大轉矩。
步進馬達轉矩與轉速之關系為指數(shù)式反比，也就是當轉速越大時轉矩越小，相反的轉速越小則轉矩越大，這種現(xiàn)象是因為激磁線圈可以視為電感與電阻的串聯(lián)電路，當激磁時線圈的電流與電阻、電感的關系如下式所示：
(1)
其中時間常數(shù)
。由式(1)可知線圈之激磁電流是隨時間而變，而輸出轉矩則與電流大小成正比，因此當轉速慢時線圈電流有足夠的時間達到最大值，因此輸出轉矩較大；相同的，當轉速提高時激磁訊號變換快速，使得線圈電流減弱造成輸出轉矩下降。
五，步進電機術語 ：
*相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。
*步數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四步執(zhí)行方式即AB-BC-
*CD-DA-AB，四相八步執(zhí)行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
*步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度（轉子齒數(shù)J*執(zhí)行步數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四步執(zhí)行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八步執(zhí)行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。
*定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。
*靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。
六，步進電機工作過程
脈沖信號的產(chǎn)生
脈沖信號一般由CPU或單片機產(chǎn)生的，一般脈沖信號的比例為0.3-0.4左右，電機轉速越高，比例則越大。
�微處理器
以四相步進電機為例，四相電機工作方式有二種，四相四步為AB-BC-CD-DA；四相八步為AB-B-BC-C-CD-D-AB。
�功率放大
功率放大是步進電機驅動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉速下的轉矩取決于步進電機的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的驅動方式，到目前為止，步進電機驅動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒流、細分數(shù)等。
圖 6 步進電機控制流程圖
七，步進電機之運轉特性：
圖6的步進電機控制流程圖中，步進電機系由微電腦控制器所控制，當控制信號自微電腦輸出后，隨即由驅動器將信號放大，達到控制電機運轉的目的，整個控制流程中并無利用到任何回饋信號，因此步進電機的控制模式為典型的閉回路控制(Close loop control)。閉回路控制的優(yōu)點為控制系統(tǒng)簡潔，無回饋信號因此不需傳感器成本較低，不過正由于步進電機的控制為開路控制，因此若電機發(fā)生失步或失速的情況時，無法立即利用傳感器將位置誤差傳回做修正補償，要解決類似的問題只能從了解步進電機運轉特性著手。
所謂失速是指當電機轉子的旋轉速度無法跟上定子激磁速度時，造成電機轉子停止轉動。電機失速的現(xiàn)象各種電機都有發(fā)生的可能，在一般的電機應用上，發(fā)生失速時往往會造成繞組線圈燒毀的后果，不過步進電機發(fā)生失速時只會造成電機靜止，線圈雖然仍在激磁中，但由于是脈沖信號，因此不會燒毀線圈。
失速是指轉子完全跟不上激磁速度而完全靜止，失步的成因則是由于電機運轉中瞬間提高轉速時，因輸出轉矩與轉速成反比，故轉矩下降無法負荷外界負載，而造成小幅度的滑脫。失步的情況則只有步進電機會發(fā)生，要防止失步可以依照步進電機的轉速－轉矩曲線圖調(diào)配電機的加速度控制程序。圖7為步進電機之特性曲線，圖中橫坐標的速度是指每秒的脈沖數(shù)目(pulses per second)。與一 般電機特性曲線最大的不同點是步進電機有兩條特性曲線，同時步進電機可以正常操作的范圍僅限于引入轉矩之間。圖7中所示之各個動態(tài)特性將分別敘述如下：
圖7 步進電機特性曲線
八，步進電機的運用
由于步進電機所使用的驅動訊號為脈波訊號，因此以普通直流電源加在電機繞組時，電機是不會連續(xù)轉動的。此外，步進電機的電源線最少有五條，其中一條為共接點，其余四條分別為A相、A+相、B相、B+四相的輸入點，有些步進電機的電源線共有六條，其中兩條為共接點，將A相、A+相，與B相、B+四相的輸入點分成兩組。要分辨何者為共接點，何者為輸入點以及正、反轉的激磁順序，可以先用三用電表之奧姆檔量測線圈之電阻值，理論上各相的電阻值應相等，找出共接點后再以低于額定電壓電流之直流電源一一測試，便可找出步進電機正、反轉的激磁順序。
九，步進電機運轉原理
如圖1為四相(實際為2相）式步進電機的基本構造圖。中間轉子由永久磁鐵所構成，左邊為N極，另一邊為S極。定子有四組線圈，分別為L1、L2、L3及L4，各線圈的C端共接電源正極，另一端經(jīng)由開關接在電源的負極，在看圖8。
當我們把開關S1按下，則線圈A通入電流，產(chǎn)生N極磁場，因為磁場同性相斥、異性相吸，使轉子的S極被A極吸引過來。其次，放掉開關S1，并且立刻按下開關S2，則A極的磁場消失，B極產(chǎn)生磁場，把轉子的S極吸引過來，轉子隨著順時針方向90度。像這樣依次讓定子的四個極通入電流，就可以使轉子不停的旋轉。
圖8 單極激磁等效驅動電路
十，步進馬達的激磁方式
步進馬達依定子線圈的相數(shù)不同可分成二相、四相及五相式，小型步進馬達以二相式較為普遍。
單極性型(unipolar) ：定子磁極極性為同一方向，如可變磁阻式步進馬達，磁極線圈只有一組，所加的激磁電流為固定方向，因此單極性步進馬達所需的電源較簡單。單極性驅動電路使用四只晶體管來驅動步進電機的兩組相位，電機結構則如圖9所示包含兩組帶有中間抽頭的線圈，整個電機共有六條線與外界連接-圖9。這類電機有時又稱為四相電機，但這種稱呼容易令人區(qū)分不了又不正確，因為它其實只有兩個相位，精確的說法應是雙相位六線式步進電機。六線式步進電機雖又稱為單極性步進電機，實際上卻能同時使用單極性或雙極性驅動電路。
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圖9 單極性二相步進電機驅動電路
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雙極性型(bipolar) ：定子磁極極性為兩個方向，如永久磁鐵式步進馬達，其轉子的極性和定子磁極極性有交互變化的需要。單一激磁線圈時其激磁方向為正負交替變化，兩組磁極線圈時，一組正向激磁，另一組負向激磁，兩組交替變化，使定子磁極極性變化。以雙極方式運用，其電源較為復雜。雙極性步進電機的驅動電路則如圖2所示，它會使用八只晶體管來驅動兩組相位。雙極性驅動電路可以同時驅動四線式或六線式步進電機，雖然四線式電機只能使用雙極性驅動電路，它卻能大幅降低量產(chǎn)型應用的成本。雙極性步進電機驅動電路的晶體管數(shù)目是單極性驅動電路的兩倍，其中四顆下端晶體管通常是由微控制器直接驅動，上端晶體管則需要成本較高的上端驅動電路。雙極性驅動電路的晶體管只需承受電機電壓，所以它不像單極性驅動電路一樣需要箝位電路。
圖10 雙極性步進電機驅動電路
二相步進馬達的激磁方式有下列兩種:
(1).全步激磁
全步激磁方式又可分為1 相激磁與2相激磁兩種方式，說明如下:
1相激磁
每次只激磁一相線圈，每輸入一個脈波，便產(chǎn)生一步級的轉，如圖11所示，由圖中可知，當激磁依A→B→A→B→A……相順序，則馬達順時針方向旋轉;若依B→A→B→A→B……相順序激磁，則馬達依逆時針方向旋轉。此種激磁方式之優(yōu)點為線圈消耗功率小，角精確度良好，但其轉距小，加上阻尼特性不良，易失步。
圖11
2相激磁
每輸入一個脈波，將有二相線圈激磁，如圖12所示，由圖中可知，若依AB→BA→AB→BA→AB……相順序激磁，則馬達順時針方向旋轉:若依BA→AB→BA→AB→BA……相順序激磁，則馬達轉向為逆時針方向。此種激磁方式由于同時有兩組線圈激磁，輸出轉距較大，加上阻尼效果良好，故能追蹤較高的脈波率，但其缺點為耗電較大，容易發(fā)熱。
圖12
（2）半步激磁
此種激磁方式又稱1-2相激磁，激磁一相線圈和二相線圈交互進行，每加入一數(shù)字脈波所轉動之角度為原步進角的一半，因此分辨率可提高一倍，且運轉時相當平滑，故與2相激磁方式同受廣泛使用。圖13為二相步進馬達采用1-2相激磁方式之時序圖，由圖中可知，若依照A→AB→B→BA→A→AB→B→BA→A→AB……相的順序激磁，則步進馬達將以順時針方向旋轉；但如果依照BA→A→AB→B→BA→A→AB→B→BA……相順序激磁，則馬達逆時針方向旋轉
圖13
圖14 二相5線/6線步進電機內(nèi)部接線圖
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