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步进电机
步进电机原理及术语
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化设备中。步进电机和普通电动机不同之处在于它是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构，它同时完成两个工作：一是传递转矩，二是控制转角位置和速度。
电机工作原理：
图1
图1为两相步进电机的工作原理示意图，它有2个绕组。当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到此磁极处。若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向顺序按照四个状态周而复始进行变化，电机可顺时针转动。通电时序为时，电机就逆时针转动。控制脉冲每作用一次，通电方向就变化一次，使电机转动一步，即90度。4个脉冲，电机转动一圈。脉冲频率越高，电机转动越快，实际电机的结构要比模型复杂，并且每转一步，一般为1-8°。
步进电机的输出力矩与电机的有效体积、线圈匝数、磁通量、电流成正比，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，反之越小。
步进电机术语：
相数：是指电机内部绕圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移。一般二相电机的步距角为1.8度，即电机运动200步为一周。
静力矩:是指步进电机通过额定电流但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的转矩接近静力矩。
定位力矩:是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。
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）X100%。步进角的误差不累积。
最大空载起动频率：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，能够直接起动的最大频率。
最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，电机不带负载的最高运行频率。
相电流：电机绕组所通过的电流。
相电流：电机绕组所通过的电流。
电机矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与脉冲频率关系的曲线称为电机矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如图2，在低速时的电机力矩接近静力矩，随着电机速度的增加，电机输出力矩不断衰减。
图2
电机的动态力矩取决于电机运行时的相电流在额定电流和电压下，相电流越大，电机输出力矩在低速时越大，电压越高，高速运转时力矩越大。
图2中，1-3表示电压或电流的值变大时，力矩的变化趋势。另外，请注意，同一电机的矩频特性曲线在不同驱动器下的表示是会有差异的，所有选型时要留有余量。
电机的共振点：步进电机均有相对固定的共振区域，2、4相混合式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）。电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移。为使电机输出力矩大，不失步及使系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。注意：细分会改变共振区的位置。
丢步（失步）：控制器给电机发了N个脉冲，步进电机并没有转动N个步距角。一般当电机力矩偏小、加速度偏大、速度偏高、摩擦力不均匀等都会使丢步现象发生。
步进电机的类型：包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）等。
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积小，步进角一般为7.5度或15度。
反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪音和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩；
混合式步进电机是指综合了永磁式和反应式的优点而设计的步进电机。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度，而五相步进角一般为0.72度。目前，两相混合式步进电机最常用。
步进电机的极性：步进电机分双极性电机和单极性电机。如图3（a）所示双极性电机，电流在2个线圈流动时序为，而单极性电机线圈中电流的流动方向是固定的，如图3（b）所示，其通电时序为VA→VC→VB→VD。单极性电机的驱动器较双极性电机驱动器简单，但单极性电机输出力矩较小。
图3 步进电机线圈的极性
步进电机线圈的串、并联：许多两相步进电机有8根引线，这种电机既可以串联连接又可以并联连接。串联连接的电机，电流较小，低频力矩较大；并联连接的电机，电感较小，所以启动、停止速度较快，高频力矩有所增大。（见图4）
图4
图5 步进电机结构图
步进电机驱动器原理：步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电。
图6
以两相步进电机为例，当给驱动器一个脉冲信号和一个正方向信号时，驱动器经过环形分配器和功率放大后，给电机绕组通电的顺序为，其四个状态周而复始进行变化，电机顺时针转动；若方向信号变为负时，通电时序就变成了 ，电机就逆时针转动。
随着电子技术的发展，功率放大电路由单电压电路、高低压电路发展到现在的斩波电路。其基本原理是：在电机绕组回路中，串联一个电流检测回路，当绕组电流降低到某一下限值时，电流检测回路发出信号，控制高压电源又自动断开。重复上述过程，使绕组电流的平均值恒定，电流波形的波顶维持在预订数值上，解决了高低压电路在低频段工作时电流下凹的问题，使电机在低频段力矩增大。
步进电机一定时，供给驱动器的电压值对电机性能影响较大，电压越高，步进电机转速越高、加速度越大；在驱动器上一般设有相电流调节开关，相电流设的越大，步进电机转速越高，力矩越大。
细分控制原理：
在步进电机步距角不能满足使用要求时，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变A、B相电流的大小，以改变合成磁场的夹角，从而可将一个步距角分成多步。
图7 步进电机细分原理图
仍以二相步进电机为例，当A/B相绕组同时通电时，转子将停在A/B相磁极中间，如图7。若通电方向顺序按照，8个状态周而复始进行变化，电机顺时针转动；电机每转动一步，为45度，8个脉冲电机转一周。与图1相比，它的步距角小了一半。
驱动器一般都具有细分功能，常见的细分倍数有：1/2，1/4，1/8，1/16，1/32，1/64;或1/5，1/10，1/20。
细分后步进电机步距角按下列方法计算：步距角=电机固有步距角/细分数。
例如：一台1.8°电机设定为4个细分，其步距角为1.8°/4=0.45°。
当细分等级大于1/4后，电机的定位精度并不能提高，只是电机转动更平稳。
