步进电机基础

步进电动机和步进电动机驱动器构成步进系统。步进电动机驱动系统的性能，不但取决于步进电动机自身的性能，也取决于步进电动机驱动器的优劣。对步进电动机驱动器的研究几乎是与步进电动机的研究同步进行的。
2、系统概述：步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电动机驱动器接收到一个脉冲信号（来自控制器），它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度(称为步距角)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
3、系统控制：步进电动机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电动机驱动器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
4、用途：  步进电动机是一种控制用的特种电机，作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，随着微电子和计算机技术的发展（步进电动机驱动器性能提高），步进电动机 的需求量与日俱增。步进电动机在运行中精度没有积累误差的特点，使其广泛应用于各种自动化控制系统，特别是开环控制系统。  
5、步进电机按结构分类：步进电动机也叫脉冲电机，包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）等。
（1）反应式步进电动机：也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。其定子和转子均由软磁材料制成，定 子上的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。一般为三、四、五、六相；可实现大转矩输出（消 耗功率较大，电流最高可达20A，驱动电压较高）；步距角小；断电时无定位转矩；电机内阻尼较小，单步运行（指脉冲频率很低时）震荡时间较长；启动和运行 频率较高。
（2）永磁式步进电动机：通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转 子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。一般为两相或四相；输出转矩小（消耗功率较小，电流一般小于2A，驱动电压 12V）；步距角大（例如7.5度、15度、22.5度等）；断电时具有一定的保持转矩；启动和运行频率较低。
（3）混合式步进电动机：也叫永磁反应式、永磁感应式步进电动机，混合了永磁式和反应式的优点。其定 子和四相反应式步进电动机没有区别（但同一相的两个磁极相对，且两个磁极上绕组产生的N、S极性必须相同），转子结构较为复杂（转子内部为圆柱形永磁铁， 两端外套软磁材料，周边有小齿和槽）。一般为两相或四相；须供给正负脉冲信号；输出转矩较永磁式大（消耗功率相对较小）；步距角较永磁式小（一般为1.8 度）；断电时无定位转矩；启动和运行频率较高；是目前发展较快的一种步进电动机。
6、步进电动机按工作方式分类：可分为功率式和伺服式两种。
（1）功率式：输出转矩较大，能直接带动较大负载（一般使用反应式、混合式步进电动机）。
（2）伺服式：输出转矩较小，只能带动较小负载（一般使用永磁式、混合式步进电动机）。
7、步进电动机的选择：
（1）      首先选择类型，其次是具体的品种与型号。
（2）      反应式、永磁式和混合式三种步进电动机的性能指标、外形尺寸、安装方法、脉冲电源种类和控制电路等都不同，价格差异也很大，选择时应综合考虑。
（3）      具有控制集成电路的步进电动机应优先考虑。
8、步进电动机的基本参数：
（1）电机固有步距角： 它 表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示 半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机工作时的实际步距角，实际步距角和驱动器有关。
（2）步进电动机的相数： 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电动机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三 相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。步进电动机增加相数能提高性能，但步进电机的结构和驱动电源都会更复杂，成本也会增加。
（3）保持转矩（HOLDING TORQUE）：也叫 最大静转矩，是在额定静态电流下施加在已通电的步进电动机转轴上而不产生连续旋转的最大转矩。它是步进电动机最重要的参数之一，通常步进电动机在低速时的 力矩接近保持转矩。由于步进电动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的步进电动机。
（4）步距精度：可以用定位误差来表示，也可以用步距角误差来表示。
（5）矩角特性：步进电动机的转子离开平衡位置后所具有的恢复转矩，随着转角的偏移而变化。步进电动机静转矩与失调角的关系称为矩角特性。
（6）静态温升：指电机静止不动时，按规定的运行方式中最多的相数通以额定静态电流，达到稳定的热平衡状态时的温升。
（7）动态温升：电机在某一频率下空载运行，按规定的运行时间进行工作，运行时间结束后电机所达到的温升叫动态温升。
（8）转矩特性：它表示电机转矩和单相通电时励磁电流的关系。
（9）启动矩频特性：启动频率与负载转矩的关系称为启动矩频特性。
（10）运行矩频特性/惯频特性：略
（11）升降频时间：指电机从启动频率升到最高运行频率或从最高运行频率降到启动频率所需的时间。
（12）DETENT TORQUE：是指步进电动机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易产生误解；反应式步进电动机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。

9、步进电动机的一些特点：
（1）步进电动机没有积累误差：一般步进电动机的精度为实际步距角的百分之3-5，且不累积。
      （2）步进电动机在工作时，脉冲信号按一定顺序轮流加到各相绕组上（由驱动器内的环形分配器控制绕组通断电的方式）。
（3）即使是同一台步进电动机，在使用不同驱动方案时，其矩频特性也相差很大。
（4）步进电动机与其它电动机不同，其标称额定电压和额定电流只是参考值；又因为步进电动机是以脉冲方式供电，电源电压是其最高电压，而不是平均电压，所以，步进电动机可以超出其额定值范围工作。但选择时不应偏离额定值太远。
（5） 步进电动机外表允许的最高温度： 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁 性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电动机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
（6）步进电动机的力矩会随转速的升高而下降：当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向；频率越高，反向越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
（7）步进电动机低速时可以正常运转，但若高于一定频率就无法启动，并伴有啸叫声。
步 进电动机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电动机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵 转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转 速从低速升到高速）。
（8）四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使 用。串联接法一般在电机转速较低的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用 （又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。
（9）混合式的供电电源电压一般是一个较宽的范围 （比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值 也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。
（10）供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I 的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.5～2.0倍。
（11）当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态
（）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。
（12）用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向，只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。
10、步进电动机驱动器的一些特点：
（1）构成步进电动机驱动器系统的专用集成电路：
    A   脉冲分配器集成电路：如三洋公司的PMM8713（三/四相）、PMM8723（四相）、PMM8714（五相）等。
B  包含脉冲分配器和电流斩波的控制器集成电路：如SGS公司的L297（四相）、L6506（四相）等。
C  只含功率驱动（或包含电流控制、保护电路）的驱动器集成电路：如日本新电元工业公司的MTD1110（四相斩波驱动）和MTD2001（两相、H桥、斩波驱动）。
D  将脉冲分配器、功率驱动、电流控制和保护电路都包括在内的驱动控制器集成电路，如MOTOROLA公司的SAA1042（四相）和ALLEGRO公司的UCN5804（四相）等。
   
（2）“细分驱动”概述：
概念：将“电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进 电动机的相电流实现的，与电机本身无关。其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级 近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角）。
最新技术发展：国内外对细分驱动技术的研究十分活跃，高性能的细分，可以细分到上千甚至任意细分。目前已经能够做到通过复杂的计算使细分后的步距角均匀一致，大大提高了步进电动机的脉冲分辨率，减小或消除了震荡、噪声和转矩波动，使步进电动机更具有“类伺服”特性。
对实际步距角的作用：在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己对步距角的要求。如果使用细分驱动器，则用户只需在驱动器上改变细分数，就可以大幅度改变实际步距角，步进电机的”相数”对改变实际步距角的作用几乎可以忽略不计。
采用细分技术与步进电动机精度提高的关系：步进电动机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目 的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。细分后电机运转时对每一个脉冲的分辨率提高了，但运转精度能否达到或 接近脉冲分辨率还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。
真正的细分对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。国内有一些驱动器采用对电机相电流进行“平滑”处理来取代细分，属于“假细分”，“平滑”并不产生微步，会引起电机力矩的下降。真正的细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。

关于步进电机调速问题
步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转 动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移 量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方 向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。
在三相步进电动机定子上有A、B、C三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为A相、B相和C相，而转子则是一个带齿的铁心。如果在线圈中通以直流电，就会产生磁场，A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。

步进电机调速不能直接使用普通的交直流电源，需要专用的伺服控制器，应注意以下特点：
1、可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价，位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，开环控制系统既简单又具有一定的精度； 在要求更高精度时，也可以采用闭环控制系统。

2、由于步进电机无刷，因此本体部件少，可靠性高。

3、易于起动，停止，正反转，速度响应性好；停止时一般有自锁能力。

4、步距角可在大范围内选择，在小步距情况下，能够在超低转速下高转距稳定运行，可以不经减速器直接驱动负载。

5、速度可在相当宽范围内平滑调节， 可以用一台控制器同时控制几台步进电动机完全同步运行。

6、步进电动机带惯性负载能力较差，由于存在失步和共振问题，步进电机的加减速方法在不同的应用状态下，情况较为复杂。

步进电机选型指南//步进电机控制器
    一、步进电机选用指南：
1、 怎么确定步进电机的型号，要注意那几个主要参数？混合式步进电机中的静力矩，引线数，电感等参数如何理解？
一般是根据您的负载选电机， 主要是参考步进电机的力矩，详细的还涉及到电机的转速和额定电流，传动机构等，起动的转速和正常运行的转速，另外还有电机的精度。
静力矩或者叫保持转矩（HOLDING TORQUE）:
是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的 力矩。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。
定位力矩 （DETENT TORQUE）
是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。由于DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，不知道你说的定位力矩是不是这个，我认为是了。
从上面可以看出，静力矩和定位力矩的区别就是电机通电和不通电定子锁住转子的力矩的区别了。
引线数：
引线数就比较直观了，就是电机接线引脚的数目。2相双极型电机是4根引线。2相单极型电机是5线或者6线的。
电感：
电感的参数一般而言不是电机重点参数，但是它和电机有非常密切的关系，电感通电产生电磁感应才有。不过因为还和电机内部其他东西有很大关系，很难从电感上看出什么，看电机力气还是得看静力矩和矩频曲线。电感只是和设计上有点关系。
2、 步进电机选型注意事项
a、步进电机应用于低速场合-----每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。
b、步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。
c、除了标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流46V，110BYG采用高于直流80V）。当然，12伏电压的电机也可以采用其他驱动电源，不过要考虑温升。
d、大的负载应选择机座号较大的电机。
e、工作转速较高的电机在带动大惯量负载时，一般不要在工作转速下起动，而应该采用逐渐升频提速，这样一来电机不会失步，二来可以减少噪音，还可以提高停转时的定位精度。
f、精度要求高时，应通过采用机械减速、提高电机速度以及选用高细分数的驱动器来解决。电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或增加阻尼的方法解决。
g、电机工作在600PPS（0.9度）以下，应选择小电流、大电感、低电压的驱动器。
h、应遵循先选电机后选驱动器的原则。
3、 步进电机原理
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，电机的转速和停止位置只取决于脉冲 信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，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误差而无累积误 差的特点，使得其控制速度和位置非常简单。步进电机与普通直流电机或交流电机在使用上的区别是，它不可以直接连接电源，必须在双环形脉冲信号和功率驱动电 路等组成的控制系统中使用。
4、 步进电机的分类
混合式步进电机、反应式步进电机、永磁式步进电机
5、 2相/3相步进电机的区别
2相电机成本低，但在低速时的震动较大，高速时力矩下降快；3相电机振动较小，高速性能好，比2相电机的速度高百分之30~50，2相步进电机步距角多为1.8 度，3相多为1.5度
6、 步进电机和伺服电机的区别
力矩范围：步进电机系统一般为中小力矩（一般在40Nm以下）范围；伺服电机系统可实现全范围。
速度范围：步进电机系统速度低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM）；伺服电机系统速度高（交流伺服可达5千RPM，直流伺服电机可达1~2万RPM）。
控制方式：步进电机系统主要是位置控制， 也可实现智能化的位置/转速/转矩控制方式，低速时有振动（但使用高细分驱动器可明显改善）；伺服电机系统闭环控制，运行平滑。
精度：步进电机系统一般精度较低，使用高细分驱动器时较高；伺服电机系统的精度取决于反馈装置的分辨率。
矩频特性：步进电机系统高速时力矩下降快；伺服电机系统的矩频特性好，特性较硬。
过载特性：步进电机系统过载时会失步；伺服电机系统短时可承受3~10倍过载。
反馈方式：步进电机系统大多数为开环控制，也可接编码器反馈，防止失步；伺服电机系统为闭环方式，编码器反馈。
编码器类型：步进电机系统开环控制时不用编码器；伺服电机系统一般采用光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型。
响应速度：步进电机系统相应速度一般；伺服电机系统相应速度快。
耐振动：步进电机系统耐振动好；伺服电机系统耐振动一般 （旋转变压器型耐振动好）。
温升：步进电机系统运行温升较高；伺服电机系统一般。
维护性：步进电机系统基本可以免维护；伺服电机性较好。
价格：步进电机系统价格低；伺服电机系统价格高。
7、 如何配用？
根据电机的电流，配用大于或等于此电流的驱动器。如果需要低振动或高精度时，可配用细分型驱动器。对于大转矩电机，尽可能用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能。
二、步进器：
1、使用步进器注意事项
1）电源电压要合适（过压可能造成驱动模块的损坏），直流输入的+/-极性不得接错，驱动控制器的电流设定值应该合适（开始时不要太大）；
2）控制信号线接牢靠，工业环境下应考虑屏蔽问题（如采用双绞线）；
3）不要一开始就把所有线全接上，可先进行最基本系统的连接，确认运行良好后再完成全部连接。
4）必须事先确认好接地端和浮空端。
5）刚开始运行时，仔细观察电机的声音和温升情况，发现异常应立即停机调整。
2、一般步进电机驱动器识别的最低脉冲脉宽和2细分下的最高接受频率
一般识别的最低脉冲脉宽不少于2微秒，2细分下的最高接受频率为40khz左右
3、步进电机驱动器的一般故障现象
不工作，丢步（也可能电机力不够），时走时停，大小步，震动大，抖动明显，乱转，缺相等。