步进电机控制

1.步进电机的原理：

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，而不受负载变化的影响，即给电机一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机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电机。

2.相，线，极性概念

相：指步进电机有几个线圈。常见2相、4相电机。

线：指步进电机有几个接线口（多少根线）。

极性：分为单极性和双极性。如果步进电机的线圈是可以双向导电的，那么这个步进电机就是双极性的；相反，如果步进电机的线圈是只允许单向导电的，那么这个步进电机就是单极性的。

1.五线四线单极性：

有5个接线口，4个线圈。由于有五个接线头，即接线头的个数是奇数个，也就是说有一个接线头是公共接头，所以它的线圈的导电方式就只允许是单向的 ，即这个步进电机是单极性的。如图：

5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。所以是单极性的。

2.两相四线双极性：两相是因为四根线中有两根是相互导通的。如下图：

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。也称四拍工作方式。

1.五线四相单极性

线圈的通电方式依次是：A-COM、B-COM、C-COM、D-COM。因为四拍就可以完成一圈所以称四拍工作方式。

2.如果是两相四线双极性：线圈依次是：A-  A 非，B-B非、A 非-A、B 非-B .

2.双拍：每次给两个线圈通电。也是四拍工作方式。但比单拍输出力矩更大。

对于五线四相步进电机，在双拍工作方式下，线圈的通电方式依次是：A-COM与B-COM、B-COM与C-COM、C-COM与D-COM、D-COM与A-COM。 对于四线双极性步进电机，在双拍工作方式下，线圈的通电方式依次是：A-A ̅ 与B-B ̅    、B-B ̅  与A ̅-A 、A ̅  -A与B ̅  -B、B ̅  -B与A- A ̅ 。

3.单双拍：单拍工作方式和双拍工作方式交替进行。也称八拍模式。

对于五线四相步进电机：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; 对于四线双极性步进电机：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

一个脉冲来步进电机转动的角度。步距角大小与控制绕组的相数、转子齿数（看转子的结构）和通电方式（看步进方式）有关。步距角越小，运转的平稳性越好。

m为运行的拍数。常见两相电机有4拍和8拍运行方式。 Zr为转子齿数。比如：Zr = 50,m是四拍。那么可以得到步距角是1.8度，如果是八拍那么步距角是0.9度。当然步距角还可以更小。

5.单相，两相，三相，多项步进电机

1.单相步进电机

是在一个线圈骨架上缠绕环形线圈，给它通以正负交变的电流，每切换一次电流就按固定方向走一步。由于转子磁路所通过的磁导（磁阻的倒数，表示磁通流过的容易程度）变大为其转动方向，故单相步进电机只能按一个方向运动。原理如下：

 2.两相步进电机

 3.多项步进电机

两相步进电机有两个线圈所以需要两个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.步进电机的分类

1.永磁（PM）步进电机 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。

2.反应式（VR）步进电机 反应式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，但噪声和振动都很大。这种步进电机已被淘汰。

3.混合式（HB）步进电机 混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。常用为两相和五相：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。

现在用的比较多的都是混合式所以只讲混合式的原理。

HB型的名称由其转子结构得来，其转子是PM型永磁步进电机与VR型变磁阻反应式步进电机转子的复合体，故而也称此类电机为混合式步进电机。 HB型混合式步进电机结构为两个导磁圆盘中间夹着一个永磁圆柱体轴向串在一起，两个导磁圆盘的外圆齿节距相同，其两个圆盘的齿错开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。 此种电机转子与前面叙述的PM型永磁步进电机转子从结构来看，PM型转子N极与S极分布于转子外表面，要提高分辨率，就要提高极对数，通常20mm的直径，转子可配置24极，如再增加极数，会增大漏磁通，降低电磁转矩；而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的直径可配置100个极，并且磁极磁化为轴向，N极与S极在装配后两极磁化，所以充磁简单。 与转子齿对应的定子极，主极（定子）内径有与转子齿节距相同的小齿，与转子齿的磁通在气隙处相互作用，能产生电磁转矩。

 7.步进电机的工作原理

给电机一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。它输出的角度与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

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：

图上是单极性整步驱动的工作原理图，首先如图（a）所示，给A线圈通上从A2到A1的电流，A线圈产生上南（S）下北（N）的磁极，转子的南极（S）被吸引到A线圈的下方；接着如图 （b）所示，给B线圈通上从B2到B1的电流，转子的南极被吸引到B线圈的左边；然后如图（c）所示，给C线圈通上从C2到C1的电流，转子的南极被吸引到C线圈的上方；最后如图（d）所示，给D线圈通上从D2到D1的电流，转子的南极被吸引到 D线圈的右方。

这样在A－>B－>C－>D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D－>C－>B－>A，转子将逆时针旋转。在这个过程中，每个线圈的电流方向固定从“2”到“1”，例如从A2到A1，所以称作单极性驱动；转子从一个线圈一步到位地转到另一个线圈，每一步转过的角度是90°，所以称作整步驱动；在任意时刻，只给一个线圈通电，其他三个线圈都没有被通电，单极性整步驱动比后面介绍的双极性整步驱动的转矩要小。

2.半步驱动

        单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线圈同时通电，电流方向分别从A2到A1和B2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），转子的南极（S）在磁力的平衡作用下，停在A和B的正中央。这样在A－>AB－>B－>BC－>C－>CD－>D－>DA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DA－>D－>CD－>C－>BC－>B－>AB－>A，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固定从“2”到“1”，所以也称作单极性驱动；转子每次只走半步45°，所以称作半步驱动；和整步驱动相比，半步驱动把一整步分成两个半步来跑，电机转起来会更顺畅。

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。