步进马达简介

步进马达是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进马达按设定的方向转动一个固定的角度(称为"步距角")，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过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。步进马达可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

步进马达是行业中人士对"步进电机"的另一种称呼，步进马达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，马达的转速、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，即给马达加一个脉冲信号，马达则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进马达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马达来控制变的非常的简单。

步进马达是一种感应马达，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进马达供电，步进马达才能正常工作，驱动器就是为步进马达分时供电的，多相时序控制器

虽然步进马达已被广泛地应用，但步进马达并不能象普通的直流马达，交流马达在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进马达却非易事，它涉及到机械、马达、电子及计算机等许多专业知识。

步进马达是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲:当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进马达按设定的方向转动一个固定的角度(及步进角)。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时您可以通过控制脉冲频率来控制马达转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进马达分三种: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。这种步进马达的应用最为广泛。

步进马达温度过高首先会使马达的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此马达外表允许的最高温度应取决于不同马达磁性材料的退磁点;一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进马达外表温度在摄氏80-90度完全正常。

步进马达低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服:

A.如步进马达正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区;

B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法;

C.距角更小的步进马达，如三相或五相步进马达;

D.换成交流伺服马达，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高;

E.在马达轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。

步进马达的细分技术实质上是一种电子阻尼技术(请参考有关文献)，其主要目的是减弱或消除步进马达的低频振动，提高马达的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8° 的两相混合式步进马达，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么马达的运转分辨率为每个脉冲0.45°，马达的精度能否达到或接近0.45°，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大;细分数越大精度越难控制。

步进马达以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进马达本身技术的提高，步进马达将会在更多的领域得到应用。

步进马达是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进马达当步进驱动器接收到一个脉冲信号，步进马达就驱动步进马达按设定的方向转动一个固定的角度(称为"步距角")，步进马达的旋转是以固定的角度一步一步运行的 。

现较常用的步进马达有反应式步进马达(VR)、永磁式步进马达(PM)、混合式步进马达(HB)和单相式步进马达等。其中，永磁式步进马达一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度;反应式步进马达一般为三相，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。反应式步进马达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;混合式步进马达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。这种步进马达的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进马达。

电机固有步距角:它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°(表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°)，这个步距角可以称之为'电机固有步距角'，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

步进马达的相数:是指电机内部的线圈组数，常用的有二相、三相、四相、五相步进马达。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72°。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进马达来满足自己步距角的要求。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。

保持转矩(HOLDINGTORQUE):是指步进马达通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进马达最重要的参数之一，通常步进马达在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进马达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马达最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进马达，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进马达。

DETENTTORQUE:是指步进马达没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENTTORQUE在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解;由于反应式步进马达的转子不是永磁材料，所以它没有DETENTTORQUE。

1.一般步进马达的精度为步进角的3-5%，且不累积。

2.步进马达外表允许的最高温度较低。

步进马达温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点。

3.步进马达的力矩会随转速的升高而下降。

当步进马达转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率(或角速度)的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4.步进马达低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进马达有一个技术参数:空载启动频率，即步进马达在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。

步进马达需要与其配套的伺服电机驱动器才能工作，它的最大特点是定位精确。因为这些特点，步进马达在数字化制造时代发挥着重大的用途。

功率

步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下:

P=ω·M

ω=2π·n/60

P=2πnM/60

其P为功率单位为瓦，ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米

P=2πfM/400(半步工作)其中f为每秒脉冲数(简称PPS)

步距角:每输入一个电脉冲信号时转子转过的角度称为步距角。步距角的大小可以直接影响电机的运行精度;

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2Nm的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2Nm的步进电机;

定位转矩:定位转矩是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有定转矩;

空载启动频率:指步进电机能够不失步启动的最高脉冲频率;

启动矩频特性:在给定的驱动条件下，负载惯量一定时，启动频率与负载转矩之间的关系称为启动矩频特性，又称牵入特性。

运行矩频特性:在负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系称为运行矩频特性，又称牵出特性;

失步:步进电机运动的步数与输入电脉冲数不想对应、动态过程结束后也不能自行消除的现象;

静态相电流: 电机不动时每相绕组允许通过的电流，即额定电流;

优化半步:在原有半步的基础上去掉强弱拍，解决了电机力矩不均的问题，所有驱动器均可通过 拨码开关选择电流。

1、现象:电机低速时振动或失步，高速时正常:这是驱动电压过高引起。电机低速时正常，高速时失步:这是驱动电压过低引起。电机长时间低速运转无发热现象(电机正常工作时可高达70至80度)驱动电流过小时，电机工作时过热:驱动电流过大的原因。

解决方法:调节驱动器电流、驱动电压或更换驱动器。

2、现象:电机低速或高速时不转动或者失步;负载过大。电机起动或停止时有失步或振动;电机出力过大。

解决方法:调节驱动器电流或更换电机。

3、两相与三相步进电机步距角分别是多少?

两相步进电机步距角为1.8度，三相步距角为1.2度。

4、步进电机正常工作时表面温度为多少度才正常?

正常情况下步进电机表面温度在80摄氏度以内均为正常。

5、用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向?

只需将电机与驱动器接线的A+和A-(或者B+和B-)对调即可。

步进电机有步距角(涉及到相数)、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

1、步距角的选择

电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度(包括减速)。电机的步距角应等于或小于此角度。市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度(五相电机)、0.9度/1.8度(二、四相电机)、1.5度/3度 (三相电机)等。

2、静力矩的选择

步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时(一般由低速)时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来(几何尺寸)。

3、电流的选择

静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流。

1、步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，(0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度)间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低;

2、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大;

3、由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压(建议:57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V)，当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升;

4、转动惯量大的负载应选择大机座号电机;

5、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度;

6、高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少，其被淘汰的说法是外行话;

7、电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决;

8、电机在600PPS(0.9度)以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动;

9、应遵循先选电机后选驱动的原则。

本模块可分为如下3个部分

· 单片机系统:控制步进电动机;

· 外围电路:PIC单片机和步进电动机的接口电路;

· PIC程序:编写单片机控制步进电功机的接口程序，实现三角波信号的输出功能。

(1)步进电动机与单片机的接口。

单片机是性能极佳的控制处理器，在控制步进电机工作时，接口部件必须要有下列功能。

①电压隔离功能。

单片机工作在5V，而步进电机是工作在几十V，甚至更高。一旦步进电机的电压串到单片机中，就会损坏单片机;步进电机的信号会干扰单片机，也可能导致系统工作失误，因此接口器件必须有隔离功能。

②信息传递功能。

接口部件应能够把单片机的控制信息传递给步进电机回路，产生工作所需的控制信息，对应于不同的工作方式，接口部件应能产生相应的工作控制波形。

③产生所需的不同频率。

为了使步进电机以不同的速度工作，以适应不同的目的，接口部件应能产生不同的工作频率。

(2)电压隔离接口。

电压隔离接口专用于隔离低压部分的单片机和高压部分的步进电机驱动电路，以保证它们的正常工作。

电压隔离接口可以用脉冲变压器或光电隔离器，基本上是采用光电隔离器。单片机输出信号可以通过TTL门电路或者直接送到晶体管的基极，再由晶体管驱动光电耦合器件的发光二极管。

发光二极管的光照到光电耦合器件内部的光敏管上，转换成电信号，再去驱动步进电机的功率放大电路，电流放大接口是步进电机功放电路的前置放大电路。它的作用是把光电隔离器的输出信号进行电流放大，以便向功放电路提供足够大的驱动电流。

(3)工作方式接口和频率发生器。

用单片机控制步进电动机，需要在输入输出接口上用3条I/0线对步进电动机进行控制，这时，单片机用I/O口的RA0、RAI、RA2控制步进电动机的三相。