【正文】 進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。4. 步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。同時(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。7. 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。9. 步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。 步進(jìn)電機(jī)的分類現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。它又分為兩相和五相： 。 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 結(jié)構(gòu) 步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，步進(jìn)電機(jī)分為轉(zhuǎn)子和定子兩部分：1. 定子：由硅鋼片疊成的，定子上有6大磁極，每2個(gè)相對(duì)的磁極（Ｎ，S）組成一對(duì)，共有3對(duì)。 0、1/3π、2/3π,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以π表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3π，C與齒3向右錯(cuò)開2/3π，A39。就是A，齒5就是齒1）。 對(duì)齒和錯(cuò)齒 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子展開圖反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力來源于電磁力，只有電機(jī)存在錯(cuò)齒現(xiàn)象才能轉(zhuǎn)動(dòng)。而對(duì)于三相步進(jìn)電機(jī)來說，當(dāng)某一相得磁極處于最大磁導(dǎo)位置時(shí)，另外兩相必須處于非最大磁導(dǎo)位置，即定子和轉(zhuǎn)子不對(duì)齊位置，這種現(xiàn)象被稱為錯(cuò)齒。如果給處于錯(cuò)齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大（即最小磁阻位置）位置轉(zhuǎn)動(dòng)，即向趨于對(duì)齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)。以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例：如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與A對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過1/3π，此時(shí)齒4與A偏移為1/3π對(duì)齊。如按A，C，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。而方向由導(dǎo)電順序決定。往往采用AABBBC－CCAA這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3π改變?yōu)?/6π。 不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m1)/m,1。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。B174。BC174。AB174。BC174。CA 這三種工作方式的區(qū)別，如下表所示： 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)三種工作方式的性能比較工作方式單三拍雙三拍六拍步進(jìn)周期TTT每相通電時(shí)間T2T3T走齒周期3T3T6T相電流小較大最大高頻性能差較好較好轉(zhuǎn)矩小中大電磁阻尼小較大較大振蕩容易較容易不容易功耗小大中，六拍的性能最好，單三拍的性能最差，因此，在步進(jìn)電機(jī)的控制應(yīng)用中，選擇合適的工作方式非常重要，本文主要研究的是三相六拍工作方式。 步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語1. 齒距角：相鄰兩齒中心線間的夾角，通常定子和轉(zhuǎn)子具有相同的齒距角。 θb=θz/N = 2π/NZ (N是工作拍數(shù)，Z是轉(zhuǎn)子的齒數(shù))3. 步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運(yùn)行時(shí)應(yīng)在15%以內(nèi)。轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機(jī)轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)是不能解決的。6. 最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。9. 運(yùn)行頻率：指拖動(dòng)一定負(fù)載使頻率連續(xù)上升時(shí)，步進(jìn)電機(jī)能不失步運(yùn)行的極限頻率。 步進(jìn)電機(jī)的振蕩和失步步進(jìn)電機(jī)的振蕩和失步是一種普遍存在的現(xiàn)象，它影響應(yīng)用系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此要盡力去避免。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低頻區(qū)時(shí)，由于勵(lì)磁脈沖間隔的時(shí)間較長(zhǎng)，步進(jìn)電機(jī)表現(xiàn)為單步運(yùn)行，當(dāng)勵(lì)磁開始時(shí)，轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下加速轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)平衡點(diǎn)時(shí)，電磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速最大，由于慣性，轉(zhuǎn)子沖過平衡點(diǎn)，這時(shí)電磁力產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子在負(fù)轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)速逐漸為零，并開始反向轉(zhuǎn)動(dòng)。如此下去，形成轉(zhuǎn)子圍繞平衡點(diǎn)的振蕩。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在共振區(qū)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率接近步進(jìn)電機(jī)的振蕩頻率fo或振蕩頻率的分頻或倍頻，這會(huì)使振蕩加劇，嚴(yán)重時(shí)造成失步。當(dāng)轉(zhuǎn)子回?cái)[到最大幅值時(shí)，恰好第2個(gè)脈沖到來，轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)回?cái)[，接著第3個(gè)脈沖到來，轉(zhuǎn)子受正電磁轉(zhuǎn)矩的作用回到平衡點(diǎn)，這樣，轉(zhuǎn)子經(jīng)過3個(gè)脈沖仍然回到原來位置，也就是丟了三步。減少步距角可以減少振蕩幅值，以達(dá)到削弱振蕩的目的。稱之為失步。例如，步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，如果脈沖的頻率較高，由于電動(dòng)機(jī)來不及獲得足夠的能量，使其無法令轉(zhuǎn)子跟上旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，所以引起失步。注意，啟動(dòng)頻率不是一個(gè)固定值，提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、減少負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、減少步距角都可以提高步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率。這主要發(fā)生在制動(dòng)和突然換向時(shí)，轉(zhuǎn)子獲得過多的能量，產(chǎn)生嚴(yán)重的過沖，引起失步。 阻尼方法 消除振蕩是通過增加阻尼的方法來實(shí)現(xiàn)的，主要有機(jī)械阻尼法和電子阻尼法兩大類。1. 多相勵(lì)磁法：采用多相勵(lì)磁會(huì)產(chǎn)生電磁阻尼，會(huì)削弱或消除振蕩現(xiàn)象。所以，可以設(shè)計(jì)一種電路，使電壓隨頻率的降低而減少，這樣使繞組在低頻時(shí)的電流減少，可以有效地消除振蕩。同時(shí)，也相對(duì)地提高步進(jìn)頻率，使步進(jìn)過程平穩(wěn)進(jìn)行。 步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩Md與連續(xù)運(yùn)行頻率f之間的關(guān)系。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降下。步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應(yīng)子式的共振區(qū)一般180250pps之間（）或在400pps左右（），電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機(jī)輸出電矩大，不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。驅(qū)動(dòng)單元與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接耦合，也可理解成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微機(jī)控制器的功率接口，這里予以簡(jiǎn)單介紹。 步進(jìn)電機(jī)使用脈沖電源工作，脈沖電源的獲得可通過下圖說明，開關(guān)管T是按照控制脈沖的規(guī)律“開”和“關(guān)”，使直流電源以脈沖方式向繞組L供電，這一過程我們稱為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。在電機(jī)繞組回路中串有電阻Rs，使電機(jī)回路時(shí)間常數(shù)減小，高頻時(shí)電機(jī)能產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，還能緩解電機(jī)的低頻共振現(xiàn)象，但它引起附加的損耗。： 單電壓功率驅(qū)動(dòng)接口電路圖，電路中只有一個(gè)電源V，電路中的限流電阻R1決定了時(shí)間常數(shù)，但R1太大會(huì)使繞組供電電流減小。R1在工作中腰消耗一定的能量，所以這個(gè)電路損耗大，效率低，一般只用于小功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。雙電壓驅(qū)動(dòng)有兩種工作方式：雙電壓法和高低壓法。這種功率接口需要兩個(gè)控制信號(hào)，Uh為高壓有效控制信號(hào)，U為脈沖調(diào)寬驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。當(dāng)Uh低電平，TH關(guān)斷，DL正偏置，低電壓UL對(duì)繞組供電。這種電路可使電機(jī)在高頻段也有較大出力，而靜止鎖定時(shí)功耗減小。 高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口高低壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，不論電機(jī)工作頻率如何，均利用高電壓UH供電來提高導(dǎo)通相繞組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓UL來維持繞組的電流。高低壓驅(qū)動(dòng)功率接口也有兩個(gè)輸入控制信號(hào)Uh和Ul，它們應(yīng)保持同步，且前沿在同一時(shí)刻跳變，高壓管VTH的導(dǎo)通時(shí)間tl不能太大，也不能太小，太大時(shí)，電機(jī)電流過載；太小時(shí)，動(dòng)態(tài)性能改善不明顯。（當(dāng)這個(gè)數(shù)值與電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)相當(dāng)時(shí)比較合適）。第四章 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成 用微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理系統(tǒng)圖與傳統(tǒng)步進(jìn)控制器相比較有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 用微型機(jī)代替了步進(jìn)控制器把并行二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實(shí)現(xiàn)方向控制。3. 根據(jù)步距角的大小及實(shí)際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進(jìn)電機(jī)的最終位置。 TTL 0 ～ 5V