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1.步进电机简介

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机一个脉冲信号，电机则转过一个步距角(一个脉冲，转动一个步距角)。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
如1.8°的步距角，200个脉冲就是一圈。
转速：周期 频率

角度：脉冲数
电信号脉冲和PWM的区别：

  • 电信号脉冲：方波信号（低电平和高电平时间是相同的），固定占空比，改变周期
  • PWM：固定周期，改变占空比

计算：
驱动器细分后步进电机的步距角为0.18度,
控制器输入脉冲频率为3000Hz，
那么步进电机转速就是0.18度*3000/秒=540度/秒，因为一周是360度，所以是1.5转/秒，乘以60就是每分钟转速，也就是90r/min。

步进电机转速 = 频率 60/(200 x)
其中：步进电机的转速单位是：分/转
频率单位是：赫兹x实指细分倍数。
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1.1 步距角

当步进电机切换一次定子绕组的激磁电流时，转子就旋转一个固定角度即步距角。步距角一般由切换的相电流产生的旋转力矩得到，所以需要每相极数是偶数。步进电机通常都为两相以上的，当然也有一些特殊的只有一个线圈的单相步进电机。虽说单相，实为一个线圈产生的磁通方向交互反转而驱动转子转动。实用的步进电机的相数有单相、两相、三相、四相、五相。
决定步距角的因素
步进电机分辨率（一圈的步数，360°除以步距角）越高，位置精度越高。为了得到高分辨率，设计的极数要多。PM型转子为N与S极在转子的铁心外表面上交互等节距放置，转子极数为N极与S极数之和，为简化讲解，假设极对数为1。此处确定转子为永久磁铁的步进电机的步距角θs由下式表示，其中Nr为转子极对数，P为定子相数：
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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/（504）=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）。
上式的物理含义如下：
转子旋转一周的机械角度为360°,如用极数2Nr去除，相当于一个极所占的机械角度即180°/Nr。
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1.2 相数

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图中，定子的结构为两相为8个主极、三相为6个主极、五相为10个主极，为最简单的结构。

三相步进电机定子线圈的主极数为三的倍数，故三相步进电机的定子主极数为3、6、9、12 等。
依据式θs=180°/PNr，Nr=50时，对两相、三相、四相、五相电机而言，P=2、P=3、P=4、P=5代入式中，
得到步距角为：两相为1.8°，三相为1.2°，四相为0.9°，五相为0.72°。
五相步进电机的分辨率是最高的，而且定位转矩小。
定子结构及其驱动电路比四相步进电机要简单，但比两相和三相步进电机要复杂，成本也高。

如果使用细分驱动器，则“相数”将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

1.3 分类

(1)永磁（PM）步进电机
永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5 度或 15度。
(2)反应式（VR）步进电机
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，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰。
(3)混合式（HB）步进电机
混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。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。这种步进电机的应用最为广泛。

  • HB型的名称由其转子结构得来，其转子是PM型永磁步进电机与VR型变磁阻反应式步进电机转子的复合体，故而也称此类电机为混合式步进电机。
  • HB型混合式步进电机结构为两个导磁圆盘中间夹着一个永磁圆柱体轴向串在一起，两个导磁圆盘的外圆齿节距相同，与VR型可变磁阻反应式步进电机转子结构相同，其两个圆盘的齿错开1/2齿距安装，转子圆柱永磁体轴向充磁一端为N极，另一端为S极。
  • 此种电机转子与PM型永磁步进电机转子从结构来看，PM型转子N极与S极分布于转子外表面，要提高分辨率，就要提高极对数，通常20mm的直径，转子可配置24极，如再增加极数，会增大漏磁通，降低电磁转矩；而HB型转子N极与S极分布在两个不同的软磁圆盘上，因此可以增加转子极数，从而提高分辨率，20mm的直径可配置100个极，并且磁极磁化为轴向，N极与S极在装配后两极磁化，所以充磁简单。
  • 与转子齿对应的定子极，主极（定子）内径有与转子齿节距相同的小齿，与转子齿的磁通在气隙处相互作用，能产生电磁转矩。

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2. 单相步进电机

永磁单相PM型步进电机
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图(a)定子绕组通正电流，定子磁极产生N和S极，转子的N和S极被定子磁极吸引，停在图示位置。
当定子电流由正变负时，在切换过程中，电流接近于零，定子对转子的吸引力接近零，此时转子磁通产生的转矩为主，如图(b)所示，转子的磁通要走气隙最小的路径，故转子在磁通力矩的作用下，沿箭头方向运动到转子磁极轴线（N和S极的中心线）正对气隙最小处停止。

3.两相步进电机

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两相步进电机最简单的构成为Nr=1的情况，电机结构如上图所示。一般两相电机定子磁极数为4的倍数，至少是4，实际中一般为8极数（4对极）。转子为N极与S 极各一个的两极转子。

如下图所示线圈内部只流过单方向电流，此线圈称为单极型线圈；另一种，线圈内流过正、反方向电流的线圈称为双极型线圈。单极型线圈可以取代上图所示双极型线圈，运行时具有相同的步距角。
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双极性电机，电流在2个线圈流动时序为 AA¯ –> BB¯ –> A¯A–>B¯B ；
而单极性电机线圈中电流的流动方向是固定的，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，但单极性电机的输出力矩较小。

4.控制原理

4.1 工作原理

当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度，转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

4.2 驱动原理

4.2.1.单极性驱动

整步驱动 半步驱动

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顺时针：A－>B－>C－>D A－>AB－>B－>BC－>C－>CD－>D－>DA
逆时针：D－>C－>B－>A DA－>D－>CD－>C－>BC－>B－>AB－>A
在驱动过程中，为了让转子的机械速度能够跟上定子的通电速度，每驱动一步，都要延时一段时间才能驱动下一步，例如在半步驱动中，首先给A线圈通电，接着延时一段时间，等转子转到A线圈处，然后同时给A、B线圈通电，再延时一段时间，等转子转到A、B线圈的中央，如此类推，改变延时的时间，即可改变速度。如果延时时间太短，转子还没有转到位，就开始驱动下一步，那么转子就会出现失步、震荡的情况。
在启动时，如果目标速度较高，必须有加速过程，即延时时间要逐步减少，让电机的速度一步一步地提高到目标速度为止。

4.2.2.双极性驱动

整步驱动 半步驱动
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4.3 细分驱动

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如图所示，假设流过A、C线圈的电流大小为I_a，流过B、D线圈的电流大小为I_b，因为磁场强度和电流的大小成正比，如果I_a等于I_b，转子将停在相邻两个线圈的中央，如果I_a不等于I_b，那么转子将停在电流较大的一侧，转子在停住时，和水平方向的夹角是：image.png
从中可以看出：改变Ia和Ib的比例，即可控制转子在一个整步中的任何位置停住。
细分驱动的原理就是：改变定子线圈的电流比例，让转子在旋转过程中， 可以停靠在一个整步中不同位置，把一个整步分成多个小步来跑。
细分驱动具有：转动顺畅、精度高、转矩大的特点，但控制复杂，一般需要专用芯片来实现，例如东芝公司的TB67S10xA系列步进电机细分驱动芯片，最多可以把1个整步分成32 个小步。

5.步进电机的几个概念

5.1电机损耗

通常见到的各类电机，内部都是有铁芯和绕组线圈的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。
铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。

5.2 保持转矩

是指步进电机通电但没有转动时，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力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N•m 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N•m的步进电机。

5.3 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。

5.2频率

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转速频率。

5.4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最重要的，也是电机选择的根本依据。
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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。