步进电机工作原理与控制特点

步进电机，作为一种将电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制部件，其转速和停止位置仅受脉冲信号频率和数量的影响，不受负载变化干扰。每当步进驱动器接收一个脉冲信号，步进电机便按照设定方向转动固定角度，即“步距角”，以固定角度逐级运行。通过调节脉冲数量，可精确控制角位移，实现准确定位；同时，通过调节脉冲频率，可控制电机转速和加速度，实现调速。

一、步进电机的工作原理

该步进电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只需按合适时序对步进电机各相绕组通电，即可实现步进转动。图1展示了该四相反应式步进电机工作原理示意图。

初始状态，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极与转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿与C、D相绕组磁极错齿，2、5号齿与D、A相绕组磁极错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组磁力线与1、4号齿间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿与C相绕组磁极对齐。而0、3号齿与A、B相绕组产生错齿，2、5号齿与A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，转子沿A、B、C、D方向转动。

四相步进电机根据通电顺序不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍步距角相等，但单四拍转动力矩较小。八拍工作方式步距角是单四拍与双四拍的一半，既可保持较高转动力矩，又能提高控制精度。

单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：

a.单四拍

b.双四拍

c.八拍

51单片机驱动步进电机的方法：

驱动电压12V，步进角为7.5度。一圈360度，需48个脉冲完成！

该步进电机有6根引线，排列顺序如下：1：红色、2：红色、3：橙色、4：棕色、5：黄色、6：黑色。采用51驱动ULN2003的方法进行驱动。

ULN2003的驱动直接使用单片机系统5V电压，可能力矩较小，可自行加大驱动电压至12V。

步进电机具有将电脉冲信号转换为角位移或线位移的特点，在非超载情况下，电机转速、停止位置仅取决于脉冲信号频率和数量，不受负载变化影响。给电机一个脉冲信号，电机便转过一个步距角。这一线性关系和步进电机周期性误差无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域，步进电机控制变得非常简单。尽管步进电机应用广泛，但其使用需由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统。因此，熟练使用步进电机并非易事，涉及机械、电机、电子及计算机等多个专业知识。目前，生产步进电机的厂家众多，但具备专业技术人员、能自行开发研制的厂家却很少，大部分厂家仅有十几人，设备也相对简陋。许多厂家仅处于盲目仿制阶段，给用户在产品选型、使用等方面带来诸多麻烦。鉴于此，本文以感应子式步进电机为例，介绍其基本工作原理，希望对广大用户在选型、使用、及整机改进等方面有所帮助。

二、感应子式步进电机工作原理

（一）反应式步进电机

由于反应式步进电机工作原理相对简单，以下先介绍三相反应式步进电机原理。

1、结构：电机转子均匀分布着许多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开0、1/3π、2/3π（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以π表示），即A与齿1对齐，B与齿2向右错开1/3π，C与齿3向右错开2/3π，A'与齿5对齐（A'即为A，齿5即为齿1）。皖南电机价格表以下是定转子展开图：

2、旋转：如A相通电，B、C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐（转子不受任何力以下均同）。如B相通电，A、C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3π，此时齿3与C偏移为1/3π，齿4与A偏移（π-1/3π）=2/3π。如C相通电，A、B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3π，此时齿4与A偏移为1/3π对齐。如A相通电，B、C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3π。如此经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移至A相，电机转子向右转过一个齿距。如不断按A、B、C、A……通电，电机每步（每脉冲）1/3π向右旋转。如按A、C、B、A……通电，电机反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系，方向由导电顺序决定。出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑，往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态，将原来每步1/3π改变为1/6π。甚至通过二相电流不同组合，使其1/3π变为1/12π、1/24π，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m、2/m……(m-1)/m、1。导电按一定相序，电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件，理论上可以制造任何相的步进电机。皖南电机出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

3、力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Φ）。当转子与定子错开一定角度产生力F与（dΦ/dθ）成正比。其磁通量Φ=Br*S，Br为磁密，S为导磁面积。F与L*D*Br成正比，L为铁芯有效长度，D为转子直径。力矩=力*半径。力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（仅考虑线性状态）。因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。

（二）感应子式步进电机

1、特点：感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，在结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点。而定子激磁只需提供变化的磁场，不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。永磁体的存在，使该电机具有较强的反电势，自身阻尼作用较好，使其在运转过程中较为平稳、噪音低、低频振动小。在某种程度上，感应子式步进电机可以看作是低速同步电机。一个四相电机既可以作四相运行，也可以作二相运行（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相、八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式。不难发现其条件为C=0，D=0。一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率较大的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，也可以作二相电机绕组串联或并联使用。

2、分类：感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG（BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。

3、步进电机静态指标术语

相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。

拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数）。以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。

静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙、增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

4、步进电机动态指标及术语

1、步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

2、失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。

3、失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度。电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

4、*大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的*大频率。

5、*大空载运行频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，电机不带负载的*高转速频率。

6、运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性。这是电机诸多动态曲线中*重要的，也是电机选择的根本依据。如下图所示：

其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然。电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。皖南电机价格表如下图所示：

其中，曲线3电流*大、或电压*高；曲线1电流*小、或电压*低。曲线与负载的交点为负载的*大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，采用小电感大电流的电机。