步进电机原理与控制详解

一路上

什么是步进电机

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步进电机件，通过控制施加在电机线圈上的电脉冲顺序、频率和数量，可以实现对步进电机的转向、速度和旋转角度的控制。配合以直线运动执行机构或齿轮箱装置，更可以实现更加复杂、精密的线性运动控制要求。

各类步进电机

步进电机一般由前后端盖、轴承、中心轴、转子铁芯、定子铁芯、定子组件、波纹垫圈、螺钉等部分构成，步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，是由缠绕在电机定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在定子齿槽上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。

步进电机结构

其内部组装图

步进电机工作原理

与所有电机一样，步进电机也包括固定部分（定子）和活动部分（转子）。定子上有缠绕了线圈的齿轮状突起，而转子为 永磁体或可变磁阻铁芯。稍后我们将更深入地介绍不同的转子结构。如图中显示的电机截面图，其转子为可变磁阻铁芯。

示意图

内部简化结构图

当给一个或多个定子相位通电，线圈中通过的电流会产生磁场，而转子会与该磁场对齐；依次给不同的相位施加电压，转子将旋转特定的角度并最终到达需要的位置。工作过程如下图中所示，首先，线圈A通电并产生磁场，转子与该磁场对齐；线圈B通电后，转子顺时针旋转60°以与新的磁场对齐；线圈C通电后也会出现同样的情况。下图中定子小齿的颜色指示出定子绕组产生的磁场方向。

旋转过程

总之，步进电机是一种特殊的同步电动机,它通过给驱动线圈通以脉冲电流,使转子按照一定的步长角度移动。步进电机的转子由残余极对组成,每个极对的极角称为步角。输入一个脉冲信号,转子就转动一个步角;输入多个脉冲信号,转子按脉冲数旋转一个固定的角度。

以1.8度两相步进电机为例：当两相绕组都通电励磁时，电机输出轴将静止并锁定位置。在额定电流下使电机保持锁定的最大力矩为保持力矩。如果其中一相绕组的电流发生了变向，则电机将顺着一个既定方向旋转一步（1.8度）。同理，如果是另外一项绕组的电流发生了变向，则电机将顺着与前者相反的方向旋转一步（1.8度）。当通过线圈绕组的电流按顺序依次变向励磁时，则电 机会顺着既定的方向实现连续旋转步进，运行精度非常高。对于 1.8度两相步进电机旋转一周需200步。

步进电机的类型

步进电机内部材料不是完全统一的，它也包含多种型号，按定子相数进行分类有单相，二相，三相，四相，五相等等。

按照转子结构进行分类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）。

• 反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，如上面图形中，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度。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。其动态性能相对较差，噪声和振动比较大。
• 永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，它的出力大，动态性能好，但步距角一般比较大，步进角一般为7.5度 或15度，一般为两相，转矩和体积较小。
  

永磁式步进电机

• 混合式步进电机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，它是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的设备中多用此类电机。
  

混合式步进电机

步进电机的控制方法

步进电机不能直接使用直流电进行控制，需要由脉冲信号驱动其转动。步进电机的转动距离正比于施加到驱动器上的脉冲信号数（脉冲数）。步进电机转动（电机出力轴转动角度）和脉冲数的关系如下所示：

角度与脉冲关系

步进电机的转速与施加到驱动器上的脉冲信号频率成比例关系。电机的转速[r/min] 与脉冲频率[Hz] 的关系如下（整步模式）：

速度与脉冲关系

驱动步进电机通常都会使用相关驱动芯片来进行控制，市面上各种驱动驱动芯片都有。简单的应用只需要普通的几块钱的驱动芯片就可以了，比如：ULN2003A，DRV8834等。但如果要进行高精度的控制不仅需要步进电机精度高，驱动器也需要足够好，在很多工程领域都会用到专门的驱动器来实现更多元的控制效果。

控制框图

控制电路板

51单片机控制程序举例：

1. /***************   writer:shopping.w   ******************/
   
2. #include <reg52.h>
   
3. #define uint unsigned int
   
4. #define uchar unsigned char
   
5. uchar code FFW[]=
   
6. {
   
7.   0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09
   
8. };
   
9. 
   
10. uchar code REV[]=
    
11. {
    
12.   0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01
    
13. };
    
14. 
    
15. sbit K1 = P3^0;
    
16. sbit K2 = P3^1;
    
17. sbit K3 = P3^2;
    
18. 
    
19. void DelayMS(uint ms)
    
20. {
    
21.   uchar i;
    
22. while(ms--)
    
23. {
    
24.    for(i=0;i<120;i++);
    
25. }
    
26. }
    
27. 
    
28. void SETP_MOTOR_FFW(uchar n)
    
29. {
    
30.   uchar i,j;
    
31. for(i=0;i<5*n;i++)
    
32. {
    
33.    for(j=0;j<8;j++)
    
34.   {
    
35.     if(K3 == 0) break;
    
36.    P1 = FFW[j];
    
37.    DelayMS(25);
    
38.   }
    
39. }
    
40. }
    
41. 
    
42. void SETP_MOTOR_REV(uchar n)
    
43. {
    
44.   uchar i,j;
    
45. for(i=0;i<5*n;i++)
    
46. {
    
47.    for(j=0;j<8;j++)
    
48.   {
    
49.     if(K3 == 0) break;
    
50.    P1 = REV[j];
    
51.    DelayMS(25);
    
52.   }
    
53. }
    
54. }
    
55. 
    
56. void main()
    
57. {
    
58.   uchar N = 3;
    
59. while(1)
    
60. {
    
61.    if(K1 == 0)
    
62.   {
    
63.     P0 = 0xfe;
    
64.    SETP_MOTOR_FFW(N);
    
65.    if(K3 == 0) break;
    
66.   }
    
67.   else if(K2 == 0)
    
68.   {
    
69.     P0 = 0xfd;
    
70.    SETP_MOTOR_REV(N);
    
71.    if(K3 == 0) break;
    
72.   }
    
73.   else
    
74.   {
    
75.     P0 = 0xfb;
    
76.    P1 = 0x03;
    
77.   }
    
78. }
    
79. }

复制代码

步进电机的应用

步进电机广泛应用于对转动角度有精确控制要求的场合,如工业仪器仪表、医疗仪器、机器人系统、数控设备等。具体应用举例:

光驱：移动读取头；打印机:控制打印位置。

仓储自动化机械手:精确定位搬运物品；数控机床:确定主轴转位。

通过控制步进电机的脉冲数和脉冲频率,可以实现对转动运动的准确控制和定位,这是步进电机得以广泛应用的重要原因。在工业革新的进程中学会使用步进电机对于找工作绝对是有加分的，所以初学者在熟悉基础的控制功能之后也再学习电机来控制原理是有必要的。

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