步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件,。在非超載的情況下,，電機的轉(zhuǎn)速,、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度,，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的,?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的,；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度,，從而達到調(diào)速的目的。

　　一,、 步進電機的工作原理

　　該步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電,。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電,，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖1是該四相反應(yīng)式步進電機工作原理示意圖,。

　　開始時,，開關(guān)SB接通電源，SA,、SC,、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0,、3號齒對齊,，同時，轉(zhuǎn)子的1,、4號齒就和C,、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒,，2、5號齒就和D,、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒,。當開關(guān)SC接通電源，SB,、SA,、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1,、4號齒之間磁力線的作用,，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1,、4號齒和C相繞組的磁極對齊,。而0、3號齒和A,、B相繞組產(chǎn)生錯齒,，2、5號齒就和A,、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒,。依次類推，A,、B,、C、D四相繞組輪流供電,，則轉(zhuǎn)子會沿著A,、B、C,、D方向轉(zhuǎn)動,。

　　四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍,、雙四拍,、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等,，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小,。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此,，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度,。

　　單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖2.a、b,、c所示：

　　          a. 單四拍               b. 雙四拍           c八拍

　　51單片機驅(qū)動步進電機的方法:

　　驅(qū)動電壓12V,，步進角為 7.5度 . 一圈 360 度 , 需要 48 個脈沖完成!

　　該步進電機有6根引線，排列次序如下：1:紅色,、2:紅色,、3:橙色、4:棕色,、5:黃色,、6:黑色。采用51驅(qū)動ULN2003的方法進行驅(qū)動,。

　　ULN2003的驅(qū)動直接用單片機系統(tǒng)的5V電壓,，可能力矩不是很大，大家可自行加大驅(qū)動電壓到12V,。

　　步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件,。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速,、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號,，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角,。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點,。使得在速度,、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用,，但步進電機并不能象普通的直流電機,，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號,、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用,。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械,、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識,。 目前,生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少,，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā),，研制的廠家卻非常少,，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒有,。僅僅處于一種盲目的仿制階段,。這就給戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩,。簽于上述情況,，我們決定以廣泛的感應(yīng)子式步進電機為例。敘述其基本工作原理,。望能對廣大用戶在選型,、使用、及整機改進時有所幫助,。

二,、感應(yīng)子式步進電機工作原理

　　（一）反應(yīng)式步進電機

    由于反應(yīng)式步進電機工作原理比較簡單,。下面先敘述三相反應(yīng)式步進電機原理,。

　　1、結(jié)構(gòu)： 電機轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒,，定子齒有三個勵磁繞阻,，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯開。0,、1/3て,、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊,，B與齒2向右錯開1/3て,，C與齒3向右錯開2/3て，A'與齒5相對齊,，（A'就是A,，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖：

　　2、旋轉(zhuǎn)： 如A相通電,，B,，C相不通電時，由于磁場作用,，齒1與A對齊,，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如B相通電,，A,，C相不通電時，齒2應(yīng)與B對齊,，此時轉(zhuǎn)子向右移過1/3て,，此時齒3與C偏移為1/3て,，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通電,，A,，B相不通電，齒3應(yīng)與C對齊,，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て,，此時齒4與A偏移為1/3て對齊?！? 如A相通電,，B，C相不通電,，齒4與A對齊,，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て 這樣經(jīng)過A、B,、C,、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相,，電機轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個齒距,，如果不斷地按A，B,，C,，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn),。如按A,，C，B,，A……通電,，電機就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系,。而方向由導(dǎo)電順序決定,。 不過，出于對力矩,、平穩(wěn),、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài),，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て,。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て,，1/24て,，這就是電機細分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻,，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1,。并且導(dǎo)電按一定的相序電機就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進電機旋轉(zhuǎn)的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機,，出于成本等多方面考慮,，市場上一般以二、三,、四,、五相為多。

　　3,、力矩： 電機一旦通電,，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量Ф）當轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力F與（dФ/dθ）成正比

　　其磁通量Ф=Br*S Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長度,，D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=N·I/RN·I為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻,。力矩=力*半徑力矩與電機有效體積*安匝數(shù)*磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)）因此，電機有效體積越大,，勵磁安匝數(shù)越大,，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大,，反之亦然,。

（二）感應(yīng)子式步進電機

　　1、特點： 感應(yīng)子式步進電機與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進電機相比,，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體,，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能,，因此該電機效率高,，電流小，發(fā)熱低,。因永磁體的存在,，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好,，使其在運轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn),、噪音低、低頻振動小,。 感應(yīng)子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機,。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行,。（必須采用雙極電壓驅(qū)動）,，而反應(yīng)式電機則不能如此,。例如：四相，八相運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C= ,D= . 一個二相電機的內(nèi)部繞組與四相電機完全一致,，小功率電機一般直接接為二相,，而功率大一點的電機，為了方便使用,，靈活改變電機的動態(tài)特點,，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時,，既可以作四相電機使用,，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。

　　2,、分類：感應(yīng)子式步進電機以相數(shù)可分為 ：二相電機,、三相電機、四相電機,、五相電機等,。以機座號（電機外徑）可分為：42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進電機代號）、57BYG,、86BYG,、110BYG、（國際標準）,，而像70BYG,、90BYG、130BYG等均為國內(nèi)標準,。

　　3,、步進電機的靜態(tài)指標術(shù)語相數(shù)：產(chǎn)生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù),。常用m表示,。拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù),，以四相電機為例,，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對應(yīng)一個脈沖信號,，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示,。θ=360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二,、四相,，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步）,，八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）,。定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下,，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉(zhuǎn)運動時,，電機轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩,。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān),。 雖然靜轉(zhuǎn)矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān),，但過份采用減小氣隙,，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音,。

　　4,、步進電機動態(tài)指標及術(shù)語：

　　1、步距角精度： 步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差,。用百分比表示：誤差/步距角*100%,。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi),，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi),。

　　2、失步： 電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù),，不等于理論上的步數(shù),。稱之為失步。

　　3,、失調(diào)角： 轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度,，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差,，采用細分驅(qū)動是不能解決的,。

　　4、最大空載起動頻率： 電機在某種驅(qū)動形式,、電壓及額定電流下,，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率,。

　　5,、最大空載的運行頻率： 電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下,，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率,。

　　6、運行矩頻特性： 電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性,，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的,，也是電機選擇的根本依據(jù),。如下圖所示

　　其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等,。 電機一旦選定,，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然,，電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流）,，平均電流越大，電機輸出力矩越大,，即電機的頻率特性越硬,。如下圖所示：

　　其中，曲線3電流最大,、或電壓最高;曲線1電流最小,、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點,。要使平均電流大,，盡可能提高驅(qū)動電壓，使采用小電感大電流的電機,。