什么是步進(jìn)電機-步進(jìn)電機工作原理是什么及驅動(dòng)方法-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2017-12-29
步進(jìn)電機又稱(chēng)脈沖電機，它是一種感應電機，涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專(zhuān)業(yè)知識。步進(jìn)電機作為執行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應用在各種自動(dòng)化控制系統中。隨著(zhù)微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應用。
步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。其將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移，是現代數字程序控制系統中的主要執行元件，應用極為廣泛。
步進(jìn)電機控制系統由步進(jìn)電機控制器、步進(jìn)電機驅動(dòng)器、步進(jìn)電機三部分組成，步進(jìn)電機控制器是指揮中心，它發(fā)出信號脈沖給步進(jìn)電機驅動(dòng)器，而步進(jìn)電機驅動(dòng)器把接收到信號脈沖脈沖轉化為電脈沖,驅動(dòng)步進(jìn)電機轉動(dòng)，控制器每發(fā)出一個(gè)信號脈沖，步進(jìn)電機就旋轉一個(gè)角度,它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？刂破骺梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖數量來(lái)控制步進(jìn)電機的旋轉角度，從而準確定位。通過(guò)控制脈沖頻率精確控制步進(jìn)電機的旋轉速度。
通常電機的轉子為永磁體，當電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì )帶動(dòng)轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當定子的矢量磁場(chǎng)旋轉一個(gè)角度。轉子也隨著(zhù)該磁場(chǎng)轉一個(gè)角度。
每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機轉動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會(huì )反轉。所以可用控制脈沖數量、頻率及電動(dòng)機各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機的轉動(dòng)。
我們一般用的步進(jìn)電機是這樣的：
結構圖一般是這樣的：
那么這個(gè)AC，BD代表什么呢？步進(jìn)電機又為什么具有以上的那些特點(diǎn)呢？這就要從步進(jìn)電機的特殊結構說(shuō)起。先上一個(gè)步進(jìn)電機內部的結構示意圖：
先從這個(gè)簡(jiǎn)單的圖分析原理，圖中有兩組繞組A A-，B B-，可以看出他們分別形成的磁場(chǎng)是相反的，位置也是相對的。這2組繞組對應真實(shí)圖中的AC和BD。
定子為鐵芯，A A-，B B-繞在鐵芯上，通電之后產(chǎn)生磁場(chǎng)變成電磁鐵，轉子為永磁體，磁場(chǎng)將對轉自產(chǎn)生吸引或者排斥。
左上圖A A-吸引轉子，使得轉子豎直（此時(shí)只有A A-通電）當B B-也通電后，B B-也產(chǎn)生磁場(chǎng)，此時(shí)轉自將像A B中間區域偏轉，具體偏轉角度跟A B上電流大小比例有關(guān)。
左下圖此時(shí)A A-斷電，B B-繼續通電，則轉子被吸引到水平位置。
右下圖此時(shí)A A-反向通電，B B-繼續通電，則轉自順時(shí)針旋轉，重復以上過(guò)程，則轉子可以進(jìn)行旋轉運動(dòng)，并控制通電的時(shí)機以及順序，便可以達到控制步進(jìn)電機旋轉角度。
定子鐵心：定子鐵心為凸極結構，由硅鋼片迭壓而成。在面向氣隙的定子鐵心表面有齒距相等的小齒。
定子繞組：定子每極上套有一個(gè)集中繞組，相對兩極的繞組串聯(lián)構成一相。步進(jìn)電動(dòng)機可以做成二相、三相、四相、五相、六相、八相等。
轉子：轉子上只有齒槽沒(méi)有繞組，系統工作要求不同，轉子齒數也不同。定轉子齒形相同。
當步進(jìn)電機切換一次定子繞組的激磁電流時(shí)，轉子就旋轉一個(gè)固定角度即步距角。步距角一般由切換的相電流產(chǎn)生的旋轉力矩得到，所以需要每相極數是偶數。步進(jìn)電機通常都為兩相以上的，當然也有一些特殊的只有一個(gè)線(xiàn)圈的單相步進(jìn)電機。雖說(shuō)單相，實(shí)為一個(gè)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通方向交互反轉而驅動(dòng)轉子轉動(dòng)。實(shí)用的步進(jìn)電機的相數有單相、兩相、三相、四相、五相。
現在使用的步進(jìn)電機大部分用永磁轉子。普遍使用永久磁鐵的原因是效率高，分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。以下以介紹永磁轉子為主。
步進(jìn)電機分辨率（一圈的步數，360°除以步距角）越高，位置精度越高。為了得到高分辨率，設計的極數要多。PM型轉子為N與S極在轉子的鐵心外表面上交互等節距放置，轉子極數為N極與S極數之和，為簡(jiǎn)化講解，假設極對數為1。此處確定轉子為永久磁鐵的步進(jìn)電機的步距角θs由下式表示，其中Nr為轉子極對數，P為定子相數，θs=180°/PNr上式的物理含義如下：
轉子旋轉一周的機械角度為360。,如用極數2Nr去除，相當于一個(gè)極所占的機械角度即180°/Nr。這就是說(shuō)，一個(gè)極的機械角度用定子相數去分割就得到步距角，此概念如下圖所示。
由式θs=180°/PNr可知，步距角越小，分辨率越高，因此要提高步進(jìn)電機的分辨率，就要增加轉子極對數或采用定子相數P較多的多相式方法。而Nr的增加受到機械加工的限制，所以要制造高分辨率的步進(jìn)電機需要兩種方法并用才行。 公式如下：
步進(jìn)電機需要使用專(zhuān)用的步進(jìn)電機驅動(dòng)器驅動(dòng)，驅動(dòng)器由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅動(dòng)單元、保護單元等組成。功率驅動(dòng)單元將脈沖發(fā)生控制單元生成的脈沖放大，與步進(jìn)電機直接耦合，屬于步進(jìn)電機與微控制器的功率接口。
控制指令單元，接收脈沖與方向信號，對應的脈沖發(fā)生控制單元對應生成一組相應相數的脈沖，經(jīng)過(guò)功率驅動(dòng)單元后送到步進(jìn)電機，步進(jìn)電機在對應方向上轉過(guò)一個(gè)步距角。 驅動(dòng)器的脈沖給定方式?jīng)Q定了步進(jìn)電機運行方式，如下：
（1）m相單m拍運行
（2）m相雙m拍運行
（3）m相單、雙m拍運行
（4）細分驅動(dòng)，需要驅動(dòng)器給出不同幅值的驅動(dòng)信號
步進(jìn)電機有一些重要的技術(shù)數據，如最大靜轉矩、起動(dòng)頻率、運行頻率等。一般來(lái)說(shuō)步距角越小，電機最大靜轉矩越大，則起動(dòng)頻率和運行頻率越高，所以運行方式中強調了細分驅動(dòng)技術(shù)，該方式提高了步進(jìn)電機的轉動(dòng)力矩和分辨率，完全消除了電機的低頻振蕩。所以細分驅動(dòng)器驅動(dòng)性能優(yōu)與其他類(lèi)型驅動(dòng)器。
目前常用的有三種步進(jìn)電機：
(1)反應式步進(jìn)電機(VR)。反應式步進(jìn)電機結構簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，步距角??；但動(dòng)態(tài)性能差。
(2)永磁式步進(jìn)電機(PM)。永磁式步進(jìn)電機出力大，動(dòng)態(tài)性能好；但步距角大。
(3)混合式步進(jìn)電機(HB)?；旌鲜讲竭M(jìn)電機綜合了反應式、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的步距角小，出力大，動(dòng)態(tài)性能好，是目前性能最高的步進(jìn)電動(dòng)機。它有時(shí)也稱(chēng)作永磁感應子式步進(jìn)電動(dòng)機。
反應式步進(jìn)電機（VR），是一種傳統的步進(jìn)電機，由磁性轉子鐵芯通過(guò)與由定子產(chǎn)生的脈沖電磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉動(dòng)。
反應式步進(jìn)電機工作原理比較簡(jiǎn)單，轉子上均勻分布著(zhù)很多小齒，定子齒有三個(gè)勵磁繞阻，其幾何軸線(xiàn)依次分別與轉子齒軸線(xiàn)錯開(kāi)。電機的位置和速度由導電次數（脈沖數）和頻率成一一對應關(guān)系。而方向由導電順序決定。
永磁式步進(jìn)電機（PM），是由磁性轉子鐵芯通過(guò)與由定子產(chǎn)生的脈沖電磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉動(dòng)的一種設備。
永磁式步進(jìn)電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度，對7.5度步矩而言，典型的極數為24。電機里有轉子和定子兩部分：可以是定子是線(xiàn)圈，轉子是永磁鐵；也可以是定子是永磁鐵，轉子是線(xiàn)圈。
在這種電機里，定子齒或爪極由在定子線(xiàn)圈里流過(guò)的電流產(chǎn)生不同極性的磁場(chǎng)。若兩個(gè)定子段里的轉子磁化狀態(tài)是對齊的，則兩段里的定子齒將錯開(kāi)l／4齒距。觀(guān)看A段里轉子磁極和定子齒的位置關(guān)系。因為B段里的定子齒相對A段里的齒錯開(kāi)l／4齒距，故轉子將在同一方向進(jìn)一步受到驅動(dòng)。
比如當電機的轉子為永磁體，電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組會(huì )產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。磁場(chǎng)就會(huì )帶動(dòng)轉子旋轉一個(gè)角度，使得轉子的一對磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當定子的矢量磁場(chǎng)旋轉一個(gè)角度。
轉子也隨著(zhù)該磁場(chǎng)轉一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機轉動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比、轉速與脈沖頻率成正比。若改變繞組通電的順序，電機就會(huì )反轉。因此可用控制脈沖數量、頻率及電動(dòng)機各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機的轉動(dòng)。
當電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì )帶動(dòng)轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當定子的矢量磁場(chǎng)旋轉一個(gè)角度。轉子也隨著(zhù)該磁場(chǎng)轉一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機轉動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會(huì )反轉。所以可用控制脈沖數量、頻率及電動(dòng)機各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機的轉動(dòng)。
混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相、三相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度，混合式步進(jìn)電機隨著(zhù)相數（通電繞組數）的增加，步進(jìn)角減小，精度提高，這種步進(jìn)電機的應用最為廣泛。
性能：
a. 控制精度：步進(jìn)電機的相數和拍數越多，它的精確度就越高。
b. 低頻特性：步進(jìn)電機在低速時(shí)易出現低頻振動(dòng)現象，當它工作在低速時(shí)一般采用阻尼技術(shù)或細分技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現象。
c. 矩頻特性：步進(jìn)電機輸出力矩隨轉速的升高而下降，高速時(shí)會(huì )急劇下降。
d. 過(guò)載能力：步進(jìn)電機不具備過(guò)載能力。
e. 運行性能：步進(jìn)電機的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負載過(guò)大易丟步或堵轉的現象，停止時(shí)轉速過(guò)高易出現過(guò)沖現象。
f. 速度響應性能：步進(jìn)電機從靜止加速到工作轉速需要上百毫秒。
上面介紹那么多關(guān)于步進(jìn)電機的知識，大家是不是感覺(jué)跟我們前幾期介紹過(guò)的伺服電機功能上是否很相似呢，這里小編為您答疑解惑。
步進(jìn)電機是一種離散運動(dòng)的裝置，它和現代數字控制技術(shù)有著(zhù)本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內的數字控制系統中，步進(jìn)電機的應用十分廣泛。隨著(zhù)全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來(lái)越多地應用于數字控制系統中。
為了適應數字控制的發(fā)展趨勢，運動(dòng)控制系統中大多采用步進(jìn)電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動(dòng)機。雖然兩者在位置控制方式上十分相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場(chǎng)合上存在著(zhù)較大的差異。
步進(jìn)電機控制齒輪泵也可以實(shí)現精確計量。齒輪泵在輸送粘稠體方面得到了廣泛的應用，例如糖漿、豆沙、白酒、油料、番茄醬等的輸送。
齒輪泵計量是靠一對齒輪嚙合轉動(dòng)計量的，物料通過(guò)齒與齒的空間被強制從進(jìn)料口送到出料口。動(dòng)力來(lái)自步進(jìn)電機，步進(jìn)電機轉動(dòng)的位置及速度由可編程控制器控制，計量精度高于活塞泵的計量精度。
步進(jìn)電機適于在低速下運行，當速度加快時(shí)，步進(jìn)電機的噪聲會(huì )明顯加大，其它經(jīng)濟指標會(huì )顯著(zhù)下降。對于轉速比較高的齒輪泵來(lái)說(shuō)，選用升速結構比較好。我們在粘稠體包裝機上開(kāi)始采用的是步進(jìn)電機直聯(lián)齒輪泵的結構，結果噪聲難以避免，可靠性下降。
后來(lái)采用直齒輪升速的辦法，降低了步進(jìn)電機的速度，噪聲得到了控制，可靠性也有所提高，計量度得到了保證。
在制袋、充填、封口為一體的包裝機中，要求包裝用塑料薄膜定位定長(cháng)供給，無(wú)論間歇供給還是連續供給，都可以用步進(jìn)電機來(lái)可靠完成。采用步進(jìn)電機與拉帶滾輪直接連接拉帶，不僅結構得到了簡(jiǎn)化，而且調節極為方便，只要通過(guò)控制面板上的按鈕就可以實(shí)現，這樣既節省了調節時(shí)間，又節約了包裝材料。
在間歇式包裝機中，包裝材料的供送控制可以采用兩種模式：袋長(cháng)控制模式和色標控制模式 。袋長(cháng)控制模式適用于不帶色標的包裝膜，通過(guò)預先設定步進(jìn)電機轉速的方法實(shí)現，轉空比的設定通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)就可以實(shí)現。
色標模式配備有光電開(kāi)關(guān)，光電開(kāi)關(guān)檢測色標的位置，當檢測到色標時(shí)，發(fā)出控制開(kāi)關(guān)信號，步進(jìn)電機接到信號后，停止轉動(dòng)，延時(shí)一定時(shí)間后，再轉動(dòng)供膜，周而復始，保證按照色標的位置定長(cháng)供膜。
橫封輪每轉一周的總時(shí)間與橫封所需要的時(shí)間都是恒定的，要滿(mǎn)足速度同步的要求，可以將步進(jìn)電機一周內的轉速分成兩部分，一部分首先滿(mǎn)足速度同步的要求，而另外空載的部分滿(mǎn)足一周總時(shí)間的要求。為了實(shí)現良好的封口質(zhì)量，還可以通過(guò)步進(jìn)電機對橫封輪實(shí)現非衡速的控制模式，就是在橫封的每一點(diǎn)上都實(shí)現速度同步。
由于步進(jìn)電機獨特的優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件。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，而不受負載變化的影響，即給電機加一個(gè)脈沖信號。
電機則轉過(guò)一個(gè)步距角。這一線(xiàn)性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。作為一種把數字電脈沖信號轉換成機械角位移的機電元件。
步進(jìn)電機具有控制簡(jiǎn)單，功率大，維護容易，定位精度高，可靠性好，體積小，驕動(dòng)系統多達32種選擇。并且價(jià)格低，無(wú)累積位置誤差，可自鎖，控制成本低等特點(diǎn)而得到廣泛應用，再加上利用現在比較成熟的微機技術(shù)中單片機的應用控制?？梢暂p松實(shí)現自動(dòng)控制，以上特點(diǎn)完全符合微拖的要求。并且可以實(shí)現礦井提升系統的自動(dòng)控制，實(shí)現無(wú)人值守提升系統。
礦井提升中步進(jìn)電機的控制過(guò)程是這樣的，首先提升機減速接近爬行階段，速度降至3m／s左右時(shí)。由自動(dòng)控制系統自動(dòng)接通電磁閥。電磁閥桿在電磁力的作用下克服閥桿下端彈簧的彈力下移，使壓縮空氣由A腔進(jìn)入B腔，通過(guò)減速器的空心軸進(jìn)入氣囊離合器。使微拖裝置與主機連接起來(lái)。
當速度繼續降至爬行速度時(shí)。通過(guò)控制電路切斷主電動(dòng)機動(dòng)力制動(dòng)電源，提升機改由步進(jìn)電機拖動(dòng)進(jìn)行平穩的低速爬行。提升容器到達終點(diǎn)，進(jìn)行卸載時(shí)，控制電路使電磁閥斷電，步進(jìn)電機與主機脫離，完成一次爬行過(guò)程，接下來(lái)進(jìn)行下一周期的工作。通過(guò)改進(jìn)，大大提高卸載時(shí)事故的發(fā)生率，提高煤礦生產(chǎn)的安全，并且為煤礦后來(lái)進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)建立基礎。
許多汽車(chē)制動(dòng)元件的檢測，例如液壓制動(dòng)系中制動(dòng)主缸助力器總成的檢測，氣壓制動(dòng)系中氣制動(dòng)閥的檢測，在測試系統中需要用到電機推動(dòng)滾珠絲杠來(lái)模擬在實(shí)際汽車(chē)制動(dòng)時(shí)踩下制動(dòng)踏板進(jìn)行制動(dòng)的過(guò)程，滾珠絲杠推動(dòng)主缸或者制動(dòng)閥使其達到汽車(chē)制動(dòng)時(shí)所需要的各種工作狀態(tài)，以便來(lái)測試各種性能。
而步進(jìn)電機由于角位移與輸入脈沖嚴格成正比關(guān)系，在其運動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有累計誤差，跟隨性良好，因此選擇步進(jìn)電機是汽車(chē)制動(dòng)元件測試系統中性能較好的執行元件。系統硬件組成有位移傳感器，力傳感器，步進(jìn)電機；控制核心采用工控機和數據采集卡。
步進(jìn)電機通過(guò)聯(lián)軸器驅動(dòng)滾珠絲杠組成加力裝置，力傳感器安裝在絲杠頂桿前端，用于測量步進(jìn)電機輸出力矩“被測試件輸入力”的大小，數據經(jīng)由A／D轉換送工控機處理，工控機控制步進(jìn)電機的啟動(dòng)、前進(jìn)、后退、停止，并按測試程序控制前進(jìn)和后退的速度，同時(shí)由位移傳感器測量出步進(jìn)電機的位移量，并將力和位移的相應數據通過(guò)顯示器表示出來(lái)，根據相關(guān)行業(yè)標準來(lái)判斷氣制動(dòng)閥的合格與否。
一般采用軟件延時(shí)的方法來(lái)對步進(jìn)電機的運行速度、步數及方向進(jìn)行控制，根據計算機所發(fā)出脈沖的頻率和數量所需的時(shí)間來(lái)設計一個(gè)子程序，該子程序包含一定的指令，設計者通常要對這些指令的執行時(shí)間進(jìn)行嚴密的計算或者精確的測試，以便確定延時(shí)時(shí)間是否符合要求，每當子程序結束后，可以執行下面的操作。
采用軟件延時(shí)方式時(shí)，CPU一直被占用，CPU利用率低，這在許多場(chǎng)合是非常不利的。因此需要重新設計對步進(jìn)電機的控制程序，采用PCL-812PG數據采集卡，利用812PG卡中自帶可編程計數／定時(shí)器8254及其他邏輯電路器件設計一種步進(jìn)電機控制方式，僅需要幾條簡(jiǎn)單的指令就可以產(chǎn)生具有一定頻率和數目的脈沖信號。
可編程的硬件定時(shí)器直接對系統時(shí)鐘脈沖或某一固定頻率的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計數，計數值則由編程決定當計數到預定的脈沖數時(shí)，給出定時(shí)時(shí)間到的信號，得到所需的延時(shí)時(shí)間或定時(shí)間隔，由于計數的初始值由編程決定，因而在不改動(dòng)硬件的情況下，只通過(guò)程序的變化即可滿(mǎn)足不同的定時(shí)和計數要求，因此使用很方便。
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