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步進電機入門指南（PART 1）
步進電機入門指南（PART 1）
步進電機的定義步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步距角）。您可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機可以用電源直接驅動使用。它必須由控制器（步進脈沖發生器），驅動器（環形分配器+功率放大電路）組成驅動控制系統方可使用。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知識。
步進電機的分類步進電機從其結構形式上可分為反應式步進電機（Variable Reluctance，VR）、永磁式步進電機Permanent Magnet , PM）、混合式步進電機（Hybrid, HB）。
1、反應式：定子上有繞組、轉子由軟磁材料組成。其特點是結構簡單、成本低、步距角小，可達1.2°，但動態性能差、效率低、發熱大，可靠性難保證。
2、永磁式：永磁式步進電機的轉子用永磁材料制成，轉子的極數與定子的極數相同。其特點是動態性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）。
3、混合式：混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優點，其定子上有多相繞組、轉子上采用永磁材料，轉子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態性能好，步距角小（一般兩相1.8度或0.9度，三相1.2度或0.6度，五相0.72度或0.36度），但結構復雜、成本相對較高。
步進電機的工作原理：
A、安培定則（右手螺旋定則）用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極。
B、磁鐵的特點同性相斥，異性相吸。
步進電機的構造由轉子（轉子鐵芯、永磁體、轉軸、滾珠軸承），定子（繞組、定子鐵芯），前后端蓋組成。最典型兩相混合式步進電機的定子有8個大齒，40個小齒，轉子有50個小齒；三相電機的定子有9個大齒，45個小齒，轉子有50個小齒。步進電機主要參數步進電機的相數：電機內部的線圈組數，目前常用的有兩相、三相、五相步進電機。步進電機的機座號：指電機的外徑（mm），混合式步進電機一般有20、25、28、35、39、42、57、60、86、110、130、150等。步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移。額定電流：在保持正常溫度下，電機能夠安全運行的限定電流，通常建議在額定電流的70%~90% 下使用。保持轉矩( HOLDING TORQUE )：步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。定位轉矩( DETENT TORQUE )：電機在不通電狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩。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系的曲線 。
步進電機的特點：
1、一般步進電機的精度為步距角的3-5%，且位置誤差不累積；
2、步進電機外表允許的最高溫度取決于不同電機磁性材料的退磁點（絕緣等級），一般步進電機耐熱絕緣等級為B級（130℃），所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。電機的絕緣等級一般有5等（A,E,B,F,H ）；
3、步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降，并且沒有過載能力（高頻無力，無過載能力）；
4、即使在無勵磁的情況下，步進電機也具有一定的自鎖能力。（DETENT TORQUE ）
5、空載啟動頻率：即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。 步進電機的啟動速度一般在10~100RPM，伺服電機的啟動速度一般在100~300RPM。根據電機大小和負載情況而定，大電機一般對應較低的啟動速度；
6、低頻振動：步進電動機以連續的步距狀態邊移動邊重復運轉。其步距狀態的移動會產生單步距響應 ，當電機輸入頻率等于步進電機的固有頻率時，產生共振。電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然。
步進電機低速轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點，克服兩相混合式步進電機在低速運轉時的振動和噪聲方法：
a、通過改變減速比等機械傳動避開共振區；
b、采用帶有細分功能的驅動器；
c、換成步距角更小的步進電機；
d、選用電感較大的電機；
e、換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本高；
f、采用小電流、低電壓來驅動；
g、在電機軸上加磁性阻尼器；
7、中高頻穩定性
8、控制方便：轉速和脈沖頻率成正比，位移量與脈沖個數成正比。改變脈沖的頻率和個數可以控制轉速和位移，改變脈沖的順序可以改變轉動的方向。
步進電機單步響應過程
1、步進電機收到單個步進脈沖從靜止狀態加速轉向下一個停止位置；
2、電機加速通過停止位置，并過沖一個角度，然后被反向拉回；
3、在電機內部摩擦力的作用下，通過阻尼振蕩電機最終穩定在設定的停止位置。步進電機動態運行力矩速度自啟動區域：電機可以直接啟動和停止的區域。牽入力矩（啟動力矩）：已勵磁電機能以一固定頻率啟動和同步運行而不丟步的最大轉矩。牽出力矩（運行力矩）：在給定頻率下電機能同步運行不丟步的最大轉矩。最大啟動頻率：空載情況下，已勵磁電機直接啟動而不丟步的最大頻率。最大運行頻率：空載情況下，已勵磁電機運行而不丟步的最大頻率。高效連續運行區域：在此區域內電機無法直接啟動和停止。電機在此區域運行必須經過自啟動區域，然后加速達到此工作區域。同理，在此區域內也無法直接制動，否則容易造成失步，必須先減速到自啟動區域內再制動。步進電機選型原則步進電機由保持力矩、轉速及步距角三大要素組成，一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。
1、保持力矩的選擇步進電機的動態力矩一下子很難確定，我們往往先依據是電機工作的負載確定電機的保持力矩（或叫靜力矩）。大致來說，扭力在0.8N.m以下，選擇20、28、35、39、42（電機的機身直徑或方度，單位：MM）；扭力在1N.m左右的，選擇57電機較為合適。扭力在幾個N.m或更大的情況下，就要選擇86、110、130等規格的步進電機。保持力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。
2、轉速的選擇步進電機的輸出轉矩與轉速成反比。就是說，步進電機在低速情況下輸出轉矩較大，而在高速旋轉狀態的轉矩（1000rpm以上）就很小了。但是，有些工況需要高速電機，就要對步進電機的線圈電阻、電感等指標進行衡量。選擇電感稍小一些的電機，作為高速電機，能夠在高速獲得較大輸出轉矩。反之，要求低速大力矩的情況下，就要選擇電感在十幾或幾十mH，電阻也要大一些為好。
3、步距角的選擇電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、0.6度/1.2度（三相電機）等。不同相數的電機，工作效果是不同的。相數越多，步距角就能夠做的比較小，工作時的振動就相對小一些。大多數場合，使用兩相電機比較多。在高速大力矩的工作環境，選擇三相步進電機是比較實用的。步進電機應用領域步進電機廣泛應用于各類數字定位和調速系統，如：各類打印機，掃描儀各種辦公化設備/檢驗分析儀器及各類醫療器械/通訊設備/X-Y平臺和各類半導體、電子自動化生產檢測設備/印刷設備、成像設備/閥門控制/舞臺燈光、監控設備。
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