步进电机控制

1.步进电机的原理：

步进电机是将军电脉冲信号转换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，不受负载变化的影响，即给电机脉冲信号，电机转动步距角。这种线性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差，没有累积误差，使步进电机用于速度、位置等控制领域。

2.相、线、极性概念

阶进电机有几个线圈。常见的2相、4相电机。

线：指步进电机有多少接线口（多少根线）。

极性：分为单极性和双极性。如果步进电机的线圈可以双向导电，则步进电机为双极性；相反，如果步进电机的线圈只允许单向导电，则步进电机为单极性。

1.五线四线单极性：

有五个接线端口和四个线圈。由于有五个接线头，即接线头的数量是奇数，即一个接线头是公共接头，因此其线圈的导电方式只允许单向 ，也就是说，步进电机是单极的。如图所示：

五个接线口分别定义为：A、B、C、D和COM端，这A和COM构成一组线圈(绕组)，B、C、D类似。电流只能从A流向COM端，B,C,D也一样。所以是单极性。

2.两相四线双极性:两相是因为四线中有两条是相互导通的。如下图所示:

电流可以是A到A非，也可以是A非到A。所以是双极性。

3.步进方式

分为单拍、双拍、单双拍。

1.单拍：每次只给一个线圈通电。又称四拍工作模式。

1.五线四相单极性

线圈的通电方式是：A-COM、B-COM、C-COM、D-COM。因为四拍可以完成一圈，所以叫四拍。

2.如果是两相四线的双极性线圈依次为:A- A 非，B-B非、A 非-A、B 非-B .

2.双拍:每次给两个线圈通电。也是四拍的工作方式。但输出扭矩大于单拍。

对于五线四相步进电机，在双拍工作模式下，线圈的通电模式依次为：A-COM与B-COM、B-COM与C-COM、C-COM与D-COM、D-COM与A-COM。 对于四线双极步进电机，在双拍工作模式下，线圈的通电模式是：A-A ? 与B-B ? 、B-B ? 与A ?-A 、A ? -A与B ? -B、B ? -B与A- A ? 。

3.单双拍：单拍和双拍交替工作。也叫八拍模式。

五线四相步进电机：A-COM、A-COM与B-COM、B-COM、B-COM与C-COM、C-COM、C-COM与D-COM、D-COM、D-COM与A-COM; 四线双极步进电机：A-A ? 、A-A ? 与B-B ?、B-B ?、 B-B ? 与A ?-A、A ? -A、A ?-A与B ?-B、B ?-B、B ?-B与A-A ? 。

4.步距角

步进电机旋转的脉冲角。步距角的大小与控制绕组的相数、转子齿数（转子结构）和通电模式（步进模式）有关。步距角越小，运行稳定性越好。

m运行拍数。常见的两相电机有4拍和8拍。 Zr例如：Zr = 50,m是四拍。然后步距角可以得到1.8度，如果是八拍，步距角为0.9度。步距角当然可以更小。

5.单相、两相、三相、多步进电机

1.单相步进电机

环形线圈缠绕在线圈骨架上，给它一个正负交变的电流。每次切换电流时，按固定方向行走一步。由于转子磁路通过的磁导（磁阻倒数表示磁通过的容易性）变大到其旋转方向，单相步进电机只能向一个方向移动。原理如下：

2.两相步进电机

3.多步进电机

两相步进电机有两个线圈，需要两个H桥驱动，三相步进电机需要三个半桥。五相步进电机需要五个半桥。

6.步进电机分类

1.永磁（PM）步进电机 永磁步进电机一般为两相，扭矩小，步进角一般为7.5度或15度。

2.反应式（VR）步进电机 反应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，但噪音和振动都很大。步进电机已被淘汰。

3.混合式（HB）步进电机 混合步进是指混合永磁和反应的优点。常用于两相和五相：两相步进角一般为 1.8 五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

混合式现在用的比较多，只讲混合式的原理。

HB该类型的名称由其转子结构获得，其转子为PM型永磁步进电机和VR变磁阻反应步进电机转子的复合体也被称为混合步进电机。 HB混合步进电机结构两个导磁盘中间有一个永磁柱轴向串。两个导磁盘的外圆齿节距相同。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。 这种电机转子与前面描述的电机转子PM永磁步进电机转子从结构上看，PM转子外表面分布的转子N极和S极，为了提高分辨率，通常是20mm转子可配置24极，如果增加极数，会增加漏磁通量，降低电磁扭矩；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可配置100个极，磁极磁化为轴向，N装配后极和S极两极磁化，充磁简单。 与转子齿对应的定子极，主极(定子)的内径与转子齿的节距相同，与转子齿的磁通在互作用，产生电磁转矩。

7.步进电机的工作原理

给电机一个脉冲信号，电机转动一个步距角。其输出角度与输入的脉冲数成正比，速度与脉冲频率成正比。如果绕组通电顺序改变，电机就会反转。因此，步进电机的旋转可以通过控制脉冲的数量、频率和电机各相绕组的通电顺序来控制。

1.单极性驱动分为整步驱动和半步驱动两大类。

1.整步驱动：

图为单极性整步驱动的工作原理图，如图所示（a）所示，从上到圈从上到上连接A2到A1的电流，A上南产生线圈（S）下北（N）南极，转子（S）被吸引到A线圈下方；然后如图所示 （b）所示B线圈从上连接B2到B1.转子的南极被吸引到B线圈的左侧；然后如图所示（c）给C线圈从上到上C2到C1的电流，转子的南极被C线圈吸引；最后，如图所示（d）所示给D线圈从上连接D2到D1.转子的南极被吸引 D线圈右侧。

这样在A－>B－>C－>D在通电顺序下，转子将顺时针旋转4步，如果通电顺序改为D－>C－>B－>A，逆时针旋转转子。在此过程中，每个线圈的电流方向从2固定到1A2到A1.因此，它被称为单极性驱动；转子从一个线圈一步到另一个线圈，每一步的角度是90°，因此，它被称为步进驱动；在任何时候，只有一个线圈通电，其他三个线圈没有通电，单极性步进驱动小于双极性步进驱动的扭矩。

2.半步驱动

单极半步驱动的方式如图所示，它在两个步骤之间插入了一个半步，如图所示。（b）所示，给A、B线圈同时通电，电流方向分别从A2到A1和B2到B1，A、B线圈靠近转子的一端，北极同时形成磁力相等的北极（N），转子的南极（S）停在A和B的正中央。这样在A－>AB－>B－>BC－>C－>CD－>D－>DA在通电顺序下，转子将顺时针旋转8步，如果通电顺序改为DA－>D－>CD－>C－>BC－>B－>AB－>A，逆时针旋转转子。在此过程中，每个线圈的电流方向也从2固定到1，因此也称为单极驱动；转子每次只走半步45°，所以叫半步驱动；与整步驱动相比，半步驱动将一步分为两个半步，电机转动更顺畅。

3.单极性的工作原理

2.双极性 ： 整步驱动、半步驱动和细分驱动三大类。

1.整步驱动

图是双极性整步驱动的工作原理图，其中A2端和C2端、B2端和D2端在生产电机时，已经在电机内部联通。这样其实就只有两相。首先如图（a）所示，给C线圈和A线圈通上从C1到A1的电流，C线圈和A线圈同时产生上南（S）下北（N）的磁极，转子被吸引到上南（S）下北（N）的位置；接着如图（b）所示，给D线圈和B线圈通上从D1到B1的电流，转子被吸引到左北右南的位置；然后如（c）所示，给A线圈和C线圈通上从A1到C1的电流，转子被吸引到上北下南的位置；最后如（d）所示，给B线圈和D线圈通上从B1到D1的电流，转子被吸引到左南右北的位置。 

这样在CA－>DB－>AC－>BD的通电顺序下，转子将分4步顺时针旋转，如果通电顺序改成BD－>AC－>DB－>CA，转子将逆时针旋转。在这个过程中，每个线圈的电流方向是双向改变的，例如A线圈的电流可以从A2到A1，也可以从A1到A2，所以称作双极性驱动；和单极性整步驱动一样，转子也是从一个线圈一步到位地转到另一个线圈，每一步转过的角度也是90°，所以也称作整步驱动；在任意时刻，和单极性整步驱动相比，有两个线圈被通电，所产生的转矩更大。

2.半步驱动

 双极性半步驱动的方式如图所示，它和所示的整步驱动相比，在两个整步之间插入了一个“半步”，例如图（b）所示，给A、B、C、D四个线圈同时通电，电流方向分别从C1到A1和D1到B1，A、B线圈在靠近转子的一端，同时形成磁力相等的北极（N）， C、D线圈在靠近转子的一端，同时形成磁力相等的南极（S），转子在磁力的平衡作用下，停在一个整步的正中央。

这样在CA－>CA/DB－>DB－>DB/AC－>AC－>AC/BD－>BD－>BD/CA的通电顺序下， 转子将分8步顺时针旋转，如果通电顺序改成BD/CA－>BD－>AC/BD－>AC－>DB/AC－>DB－>CA/DB－>CA，转子将逆时针旋转。在这个过程中，每个线圈的电流方向也是双向改变的，所以也称作双极性驱动；转子每次只走半步45°，所以称作半步驱动；在任意时刻，和单极性半步驱动相比，被通电的线圈的数量多了一倍（2个或4个），所产生的转矩更大。

 3.细分驱动（比较重要）

 如图所示，假设流过A、C线圈的电流大小为Ia，流过B、D线圈的电流大小为Ib，因为磁场强度和电流的大小成正比，如果Ia等于Ib，转子将停在相邻两个线圈的中央，如果Ia不等于Ib，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：

 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。（步距角进一步细分从而让电机更顺畅）

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。

8.步进电机的几个概念。 

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。

2.保持转矩（重要）

是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。（当通电步进电机会发现转不动，当不通电有可以转动）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。

3.失步（丢步）

机运转时运转的步数不等于理论上的步数，称之为失步。一般发生在启动和停机阶段，特别如果给的脉冲频率过高也会产生丢步情况。在从停止到启动如果速度过快可能会丢步，从启动（速度快）马上停止也可能会丢步。所以需要缓慢的提速或者降速。才能避免丢步。比如用梯形加减速算法。就是步进电机防止丢步的处理。

4.最大空载起动频率

简单来说就是停止到启动需要的最大频率才能转动（空载时）。

5.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。

6.运行矩频特性

转矩与频率的关系的曲线

可以看出在1~1000HZ之间转矩都是恒定的，当大于1000HZ，转矩急剧下降。

电机一旦选定，电机的静力矩（保持转矩）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。

其中，曲线3电流最大、或电压最高；曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，或采用小电感大电流的电机。