详解步进电机的工作原理和操作模式

  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电机，又称为脉冲电机。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。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它就可以驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”。

  步进电机的旋转是以固定的角度一步一步运行的，能够最终靠控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以经过控制脉冲频率，来控制电机转动的速度和加速度，进而达到调速的目的。步进电机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装。

  步进电机工作时的位置和速度信号不反馈给控制系统，如果电机工作时的位置和速度信号反馈给控制系统，那么它就属于伺服电机。相对于伺服电机，步进电机的控制相对简单，但不适用于精度要求较高的场合。

  步进电机的优点和缺点都非常的突出，优点集中于控制简单、精度高，缺点是噪声、震动和效率，它没有累积误差，结构简单，使用维修方便，制造成本低。步进电机带动负载惯量的能力大，适用于中小型机床和速度精度要求不高的地方，缺点是效率较低、发热大，有时会“失步”。优缺点如下所示。

  在相同电流且相同转矩输出的条件下，单极型步进电机比双极型步进电机多一倍的线圈，成本更高，控制电路的结构也不一样，目前市场上流行的大多是双极型步进电机。

  步进电机在构造上通常主要按照转子特点和定子绕组进行分类，下面将详细介绍这两种类型的分类。

  按照转子分类，有三种主要类型：反应式（VR型）、永磁式（PM型）、混合式（HB型）。

  定子上有绕组，绕组由软磁材料组成。其结构简单、成本低、步距角小，可达1.2度，但动态性能差，效率低、发热大，可靠性难以保证。

  永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机度差，步距角大（一般为7.5度或15度）。

  混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有很多相绕组，转子上采用永磁材料，转子和定子均有多个小齿以提高步距精度。其特点是输出力矩大、动态性能好、步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

  步进电机按照定子上绕组来分类，共有二相、三相和五相等系列。目前最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。

  该种电机的基本步距角为1.8度/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9度，配上细分驱动器后。其步距角可细分达256倍（0.007度/微步）。由于摩檫力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度的效果。

  步进电机是通过脉冲信号来进行控制，每输入一个脉冲信号，步进电机前进一步。步进电机旋转的步距角，是在电机结构的基础上等比例控制产生的，如果控制电路的细分控制不变，那么步进旋转的步距角在理论上是一个固定的角度。在实际工作中，电机旋转的步距角会有微小的差别，主要是由于电机结构上的固定有误差产生的，而且这种误差不会积累。

  步进电机的总极数越大，加工精度的要求就会越高。通常工业用混合型步进电机的步距角是1.8度，就是200极。

  步进电机的相电流及磁场，遵循安培右手螺旋定律，由电能产生磁场能量，控制电机相电流，就能使电机定子的磁极方向发生反转，二相磁场的变化相配合，进而产生电机的旋转。

  如果电流方向发生变化，磁极的方向也会发生变化，步进电机的电流流过定子产生磁场的过程叫做励磁。

  通常所说的二相步进电机，电机转子的旋转，包含不同磁极的磁场相斥和相吸实现的。如上图所示，A相产生N极磁场吸引转子的S极，B相产生S极磁场吸引转子的N极，使定子产生旋转的动力。如果改变A、B相定子线圈的电流方向，电机会产生另一步的旋转。连续改变A、B相定子线圈的电流方向，电机会产生连续的旋转。

  如上图所示，电机的运动是通过改变电流在电机中的流动来实现的，电子转子排斥B相磁极的定子，吸引A相磁极的定子，这就产生了另一个步进操作。

  执行另一个步进操作，电机定子磁极反转，转子排斥B相磁极的定子，吸引A相磁极的定子，如上图所示。

  如上图所示，定子线圈中的电流方向无论何时发生变化，磁极将会反转，转子重复步进操作。东芝步进电机驱动控制电路对电机的磁场励磁的控制，是通过脉宽调制方式实现的，能够实现电机高效、稳定的运行。

  步进电机的基本操作模式称为“励磁模式”，能够使步进电机工作在全步模式、半步模式和微步模式，其中微步模式能够有效的降低步进电机相电流的噪声，能够改善步进电机固有的噪声震动问题。下面将介绍3种励磁模式。

  所谓全步模式，就是依据电机固有结构设计固定的步距角工作，一个电脉冲，步进电机前进一个步距角。这个步距角使电机设计结构所决定的，也可以理解为电机以最大的步距角旋转。

  半步模式是以电机固有的结构决定的步距角的一半角度进行步进旋转。如下图所示，步进电机的总极数是4级，对应的步距角是90度，那么半步模式下，步进电机每个脉冲旋转45度。

  微步模式类似于半步模式，步距角更小，就是1/4步、1/8步、1/16步，可以到很高的细分。对应的步进角度就是在整步步距角乘以微步系数。

  步进电机的步距角越小，需要的加工精度会越高，对应的微步时的步进角度的误差会越大。

  步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电机驱动器，它有脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。如下图所示。

  驱动单元与步进电机直接耦合，也可以理解成步进电机微机控制器的功率接口。下面将使用MCU和分离元器件的系统举例说明。MCU相当于是控制电机的大脑，它向分立器件发送电机的步距角时间、转动方向和重复次数等，而分立器件根据MCU发出的信号，将放大电压和电流并将其发送至电机，从而驱动电机转动。

  如上图所示，该系统使用了MCU和电机控制驱动器IC。从输入控制信号来区分，步进电机控制器IC可以分为相入力型和时钟入力型。相入力型是指电机的每个励磁相的电流方向由输入信号控制，而时钟入力型是指电机的驱动由脉冲信号来控制。

  相入力型电机驱动器需要A和B两相的控制信号，只需要时钟信号，需要控制信号的MCU做更多的运输工作。

  时钟入力型电机驱动器的控制接口，需要时钟信号（单脉冲信号）输入，其控制信号相对简单，MCU的资源占用较少。

  上电复位功能将监控电机驱动器，以及电机驱动控制器的电源。为防止电机操作故障，它将强制关闭输出信号直至供电电压保持稳定。如下图所示。

  过电流关断功能将监控输出单元的电流，如果电流超过规定值，将强制关闭输出，该功能的用途在于当发生短路时暂时停止IC输出。如下图所示。

  热关断功能在于，当电机控制驱动器芯片温度超过规定值时关闭输出，并保持该状态直至温度下降。

  制动电机工作原理 制动电机是一种将电能转化为机械能的电动机，它主要通过电磁力来实现制动或调速控制。 在制动电机中，电能被输入到电动机的定子线圈中，产生的磁场作用于转子上的永磁体或者电磁铁，使得转子开始旋转。在制动时，制动电机的电源会突然断电，这时电动机的转子会继续保持运动，但因为没有了电磁力的驱动，转子的速度会逐渐减慢，最终停止。这个过程中，电动机产生的电动势会逆向发电，将制动过程中转子的动能转化为电能，并通过制动电机的电路回馈到电源中去。 制动电机的调速控制主要通过改变电动机的输入电压或电流来实现。当电动机的输入电压或电流增大时，电动机产生的磁场会增强，从而使转子的转速加快。反之，当电动机的输入电压或电流

  步进电机是机电控制中一种常用的执行机构,它的用途是将电脉冲转化为角位移,通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。经过控制脉冲个数即可以控制角位移量,进而达到准确定位的目的;同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。 一、步进电机常识 常见的步进电机分三种：永磁式（PM）,反应式（VR）和混合式（HB）,永磁式步进一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度 或15度;反应式步进一般为三相,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;混合式

  使用结构化的 变量（S7-1200 V4 和更高版本/S7-1500） 为了便于查看程序内容，可以在一个较高级 PLC 变量中将多个输入/输出地址进行分组。 较高级的 PLC 变量是指一种包含多个逻辑上相关的输入/输出的结构。 调用块时，先传送较高级的变量，之后仅需所有相关输入/输出的输入/输出参数。 要创建结构化的 PLC 变量，首先需要定义一个 PLC 数据类型 (UDT)。 并在该数据类型中声明所需的数据元素并指定它们的名称和数据类型。 然后，再切换到 PLC 变量表中并在此指定较高级的 PLC 变量。 选择 PLC 数据类型作为变量的数据类型。 从较高级变量的起始地址开始，系统现在将预

  新的IC采用了东芝ACDS 结构，该结构之前用于单极步进电机驱动器IC。其不再需要检测电机电流通常需要的两个外部电阻。该新IC采用小型QFN36封装（安装面积5mm×5mm），与东芝现有产品 相比，其安装面积减少约66%。ACDS还降低了功率损耗和电阻变化误差，有助于实现低功耗和高精度恒流控制。 新产品的主要特性 无需外部电流检测电阻。 ACDS是东芝的原创结构，无需外部电流检测电阻，便可实现高精度恒流电机控制。 电机驱动时产生热量少。 与东芝现有产品 相比，当步进电机驱动器的工作电流为1A时，具备低导通电阻（0.45Ω（上限和下限总和：典型值））的内置输出DMOS使发热量减少13%。 小型封装 采用散热性能高的小型QFN

  驱动器IC /

  导读：首先需要说明的是PI电流调节器和无差拍电流预测控制器的作用都是为了求得电压参考指令作为脉宽调制SVPWM模块的输入。本期文章以传统的PI和复矢量PI调节器与无差拍电流预测控制器作为分析对象，进行控制性能对比。 一、两种PI电流调节器 前期文章已经对PI电流调节器的工作原理和种类作了详细的说明，本期就不再阐述。 1.1传统PI电流调节器 传统PI电流调节器如公式（1）所示,对d、q轴电流进行分别调节。 从式1可以看出，整个PI系统主要由比例调节和积分调节两部分构成。比例调节是一种最简单的调节方式，控制器的输出与输入误差成正比关系，该调节方式可以对偏差做出瞬间的调节，能有效地减轻系统的滞后特性，但会出现静差。积分调节中控

  和种类 /

  整流 电路 的任务是利用二极管的单向导电性，把正、负交变的50Hz电网电压变成单方向脉动的直流电压。 整流电路只是将交流电变换为单方向的脉动电压和电流，由于后者含有较大的交流成分，通常还需在整流电路的输出端接入滤波电路，以滤除交流分量，从而得到平滑的直流电压。 由波形可知： 1. 开关 S打开时， 电容 两端电压为变压器付边的最大值 。 2 .开关S闭合，即为电容滤波 电阻 负载，当变压器付边电压大于电容上电压时 ，电容 充电 ，输出电压升高，当时电容放电，输出下降。如此 充电 快，放电慢的不断反复，在负载上将得到比较平滑的输出电压。当负载 电阻 越大时，放电越慢，纹波电压越小，负载电阻小时，放

  众所周知，步进电机的驱动方式有整步，半步，细分驱动。三者既有区别又有联系，目前，市面上很多驱动器支持细分驱动方式。 大家都知道步进电动机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机，常作为数字控制管理系统中的执行元件。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（这个角度叫做歩距角）。 正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。本文小编将带领大家详细的了解步进电机整步驱动、半步驱动、细分驱动的工作原理及优缺点。 步进电机的驱动方式 如下图是两相步进电机的内部定子示意图，为了使电机的转子能

  1、 引言 步进电机是一种将电能转变为动能的基本部件，它在多种机电设备中得到了广泛地应用，如工业生产中的各种机床、生产线上的传送带、农业生产中的灌溉机械、粉碎机等。如今，随着控制技术的发展与完善，对步进电机的控制方法也层出不穷，从早期纯粹依赖电路设计控制，到如今的计算机、PLC等先进控制方式的涌现，大大提供了步进电机的控制精度和设计的简单性、灵活性，因而也促进了步进电机在生产中获得更加广泛地应用。 晶体生长控制管理系统是一种高精度的控制系统，其中对晶体生长过程中坩埚的升降、旋转和耔晶杆的升降的控制尤为重要。同时，晶体生长控制系统具有控制速度范围要求广、低速段的速度要求低（一般低速与高速之比超过10000倍以上）等

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