步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)件,。在非超載的情況下,，電機(jī)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(fù)載變化的影響,，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號,，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)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(yùn)行的,。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量,，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的,；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的,。
一,、 步進(jìn)電機(jī)的工作原理
該步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電,。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時序通電,，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動。圖1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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(dāng)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(jìn)電機(jī)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(jī)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的方法:
驅(qū)動電壓12V，步進(jìn)角為 7.5度 . 一圈 360 度 , 需要 48 個脈沖完成!
該步進(jìn)電機(jī)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(jìn)行驅(qū)動,。
ULN2003的驅(qū)動直接用單片機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jī)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(fù)載變化的影響,，即給電機(jī)加一個脈沖信號,，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在,，加上步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單,。 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用,，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)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(jìn)電機(jī)卻非易事,，它涉及到機(jī)械,、電機(jī),、電子及計算機(jī)等許多專業(yè)知識。 目前,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jī)改進(jìn)時有所幫助,。
二、感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)工作原理
?。ㄒ唬┓磻?yīng)式步進(jìn)電機(jī)
由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡單,。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。
1,、結(jié)構(gòu)： 電機(jī)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(jī)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(jī)就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn),。如按A，C,，B,，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn),。 由此可見：電機(jī)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(jī)細(xì)分驅(qū)動的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機(jī)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(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī),，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(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量Ф）當(dāng)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(jī)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(jī)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(jī)力矩越大,，反之亦然。
（二）感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)
1,、特點： 感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)與傳統(tǒng)的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)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(jī)效率高，電流小,，發(fā)熱低,。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢,，其自身阻尼作用比較好,，使其在運(yùn)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(jìn)電機(jī)某種程度上可以看作是低速同步電機(jī),。一個四相電機(jī)可以作四相運(yùn)行，也可以作二相運(yùn)行,。（必須采用雙極電壓驅(qū)動）,，而反應(yīng)式電機(jī)則不能如此。例如：四相,，八相運(yùn)行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運(yùn)行方式.不難發(fā)現(xiàn)其條件為C= ,D= . 一個二相電機(jī)的內(nèi)部繞組與四相電機(jī)完全一致,，小功率電機(jī)一般直接接為二相，而功率大一點的電機(jī),，為了方便使用,，靈活改變電機(jī)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(jī)使用，可以作二相電機(jī)繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用,。
2,、分類：感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以相數(shù)可分為 ：二相電機(jī)、三相電機(jī),、四相電機(jī),、五相電機(jī)等。以機(jī)座號（電機(jī)外徑）可分為：42BYG(BYG為感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)代號）,、57BYG,、86BYG、110BYG,、（國際標(biāo)準(zhǔn)）,，而像70BYG、90BYG,、130BYG等均為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn),。
3、步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)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(jī)轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù),，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)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(jī)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(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二,、四相,，轉(zhuǎn)子齒為50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步）,，八拍運(yùn)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(jī)在不通電狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的）靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)電作用下,，電機(jī)不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時,，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積（幾何尺寸）的標(biāo)準(zhǔn),，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(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音,。
4,、步進(jìn)電機(jī)動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語：
1、步距角精度： 步進(jìn)電機(jī)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(yùn)行拍數(shù)其值不同,，四拍運(yùn)行時應(yīng)在5%之內(nèi),，八拍運(yùn)行時應(yīng)在15%以內(nèi)。
2,、失步： 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時運(yùn)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(jī)運(yùn)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)動是不能解決的。
4,、最大空載起動頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動形式,、電壓及額定電流下，在不加負(fù)載的情況下，能夠直接起動的最大頻率,。
5,、最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下,，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率,。
6、運(yùn)行矩頻特性： 電機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運(yùn)行矩頻特性,，這是電機(jī)諸多動態(tài)曲線中最重要的,，也是電機(jī)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(jī)一旦選定，電機(jī)的靜力矩確定,，而動態(tài)力矩卻不然,，電機(jī)的動態(tài)力矩取決于電機(jī)運(yùn)行時的平均電流（而非靜態(tài)電流），平均電流越大,，電機(jī)輸出力矩越大,，即電機(jī)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(fù)載的交點為負(fù)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(jī),。