步进电机的运行特性分析

步进电机实验报告
实验目的：
掌握步进电机的工作原理以及驱动方式，通过实验观察步进电机的运动特性和控制方式。

实验材料：
1. 步进电机
2. 步进电机驱动器
3. 控制器（如Arduino）
4. 电源
5. 连接线
实验步骤：
1. 将步进电机与步进电机驱动器进行连接，按照正确的接线顺序进行连接。

2. 将步进电机驱动器连接到控制器。

3. 连接电源，设置合适的电压和电流。

4. 编写控制程序，实现不同的步进电机控制方式，如全步进、半步进等。

5. 运行控制程序，观察步进电机的运动情况。

实验结果：
在不同的步进电机控制方式下，步进电机的运动情况各有不同。

在全步进模式下，步进电机每次转动一个固定角度；在半步进模式下，步进电机每次转动半个固定角度。

通过控制程序可以灵活控制步进电机的运动方式和速度。

实验讨论：
步进电机是一种精密控制设备，广泛应用于机械设备中。

在实际应用中，可以根据实际需求选择合适的步进电机控制方式，并通过调整控制程序中的参数来实现精确的运动控制。

结论：
通过本次实验，我们掌握了步进电机的工作原理、驱动方式以及控制方法，进一步加深了对步进电机的理论和实践认识。

第1篇一、实验目的1. 熟悉步进电机的工作原理和特性。

2. 掌握步进电机的驱动方式及其控制方法。

3. 学会使用常用实验设备进行步进电机的调试和测试。

4. 了解步进电机在不同应用场景下的性能表现。

二、实验设备1. 步进电机：选型为双极性四线步进电机，型号为NEMA 17。

2. 驱动器：选型为A4988步进电机驱动器。

3. 控制器：选型为Arduino Uno开发板。

4. 电源：选型为12V 5A直流电源。

5. 连接线、连接器、电阻等实验配件。

三、实验原理步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或线位移的电机。

它具有以下特点：1. 转动精度高，步距角可调。

2. 响应速度快，控制精度高。

3. 结构简单，易于安装和维护。

4. 工作可靠，寿命长。

步进电机的工作原理是：通过控制驱动器输出脉冲信号，使步进电机内部的线圈依次通电，从而产生步进运动。

四、实验步骤1. 搭建实验电路（1）将步进电机连接到驱动器上，确保电机线序正确。

（2）将驱动器连接到Arduino Uno开发板上，使用连接线连接相应的引脚。

（3）连接电源，确保电源电压与驱动器要求的电压一致。

2. 编写控制程序（1）使用Arduino IDE编写程序，实现步进电机的正转、反转、调速等功能。

（2）通过串口监视器观察程序运行情况，调试程序。

3. 调试步进电机（1）测试步进电机的正转、反转功能，确保电机转动方向正确。

（2）调整步进电机的转速，观察电机运行状态，确保转速可调。

（3）测试步进电机的步距角，确保步进精度。

4. 实验数据分析（1）记录步进电机的正转、反转、调速等性能参数。

（2）分析步进电机的运行状态，评估其性能。

五、实验结果与分析1. 正转、反转测试步进电机正转、反转功能正常，转动方向正确。

2. 调速测试步进电机转速可调，调节范围在1-1000步/秒之间。

3. 步距角测试步进电机的步距角为1.8度，与理论值相符。

4. 实验数据分析步进电机的性能指标符合预期，可满足实验要求。

步进电动机的工作原理及特点随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国民经济领域都有应用。

研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

1 步进电机概述步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo，其应用发展已有约80年的历史。

步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。

步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。

当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。

因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。

每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。

根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。

步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。

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，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率围通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点[1]。

正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。

由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。

2国外的研究概况步进电机是国外发明的。

中国在文化大革命中已经生产和应用，例如、、、、都生产，而且都在各行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。

步进电机的性能指标（1）步距角θs每输入一个电脉冲信号转子转过的角度称为步距角。

步距角的大小会直接影响步进电机的起动和运行频率，步距角小的往往起动、运行频率较高。

(2)精度最大步距误差：是指步进电机旋转一转内相邻两步之间最大步距和理想步距角的差值，用理想步距的百分数表示。

最大步距累积误差：是指任意位置开始，经过任意步之后，角位移误差的最大值。

静态步距角误差：是指实际的步距角与理论的步距角之间的差值，通常用理论步距角的百分数或绝对值大小来衡量。

静态步距角误差小，表示电机精度高。

（3）转矩T保持转矩（定位转矩）：是指步进电机绕组不通电时电磁转矩的最大值，或转角不超过一定值时的转矩值。

静转矩：是指步进电机不改变控制绕组通电状态，即转子不转情况下的电磁转矩。

最大静转矩Tjmax：是指步进电机在规定的通电相数下矩角特性的转矩最大值。

一般说来，最大静转矩较大的电机可以带动较大的负载转矩。

负载转矩TL ：负载转矩和最大静转矩的比值通常取为0.3~0.5左右动转矩：是指步进电机转子转动情况下的最大输出转矩值。

它与运行频率有关。

（4）响应频率响应频率：是指在某一频率范围，步进电机可以任意运行而不丢失一步的最大频率。

通常用起动频率来作为衡量指标。

（5）起动频率fq和起动矩频特性起动频率（突跳频率）：是指步进电机能够不失步起动的最高脉冲频率。

产品目录上一般都有空载起动频率的数据，但在实际使用时，步进电机大都要在带负载的情况下起动，这时负载起动频率是一个重要指标。

起动矩频特性：是指步进电机在一定的负载惯量下，起动频率随负载转矩变化的特性称为起动矩频特性，通常以表格或曲线形式给出。

（6）运行频率fq和运行矩频特性运行频率：步进电机起动后，当控制脉冲频率连续上升时能不失步的最高频率称为运行频率。

通常给出的也是空载下的运行频率。

运行矩频特性：当电机带着一定负载运行时，运行频率与负载转矩大小有关，两者的关系称为运行矩频特性。

必须注意：步进电机的起动频率、运行频率及其矩频特性都与电源型式有密切关系，使用者必须了解技术数据给出的性能指标是在怎样型式的电源下测定的。

1.步距误差
是指空载时实测的步距角与理论的步距角之差。

它反映了步进电动机角位移的精度。

国产步进电动机的步距误差一般在±10′～±30′范围内，精度较高的步进电动机可达±2′～±5′。

2.最大静转矩
是指步进电动机在某相始终通电而处于静止不动状态时，所能承受的最大外加转矩，亦即所能输出的最大电磁转矩。

它反映了步进电动机的制动能力和低速步进运行时的负载能力。

3.启动矩频特性
是指步进电动机在有外加负载转矩时，不失步地正常启动所能接受的最大阶跃输入脉冲频率（又称启动频率）与负载转矩的对应关系。

4.启动惯频特性
是指步进电动机带动纯惯性负载启动时，启动频率与转动惯量之间的关系。

5.运行矩频特性
是指步进电动机运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系。

选用步进电动机时，应使实际应用的运行频率与负载转矩所对应的运行工作点位于运行矩频特性之下，才能保证步进电动机不失步地正常运行。

6.步进运行和低频振荡
当输入脉冲频率很低时，脉冲周期如大于步进电动机的过渡过程时间，步进电动机就会处于一步一停的运行状态，这种运行状态称为步进运行。

步进电动机都有一较低的固有频率，当步进运行频率或低速运行频率与该固有频率相等或接近时，就会产生共振，使步进电动机振荡不前，这种现象称为低频振荡。

避免低频振荡的现象发生采用的方法：
一种是使运行频率避开固有频率，二是前一方法不允许时，可通过调节步进电动机上的阻尼器来改变固有频率。

7.最大相电压和最大相电流
分别是指步进电动机每相绕组所允许施加的最大电源电压和流过的最大电流。

步进电机的基本特性:静态、动态、暂态转矩特性步进电机的基本特性包括电机静态特性、连续运动特性（动态特性）、电机启动特性和电机制动特性（暂态特性）。

下面分别作介绍：静态转矩特性步进电机的线圈通直流电时，带负载转子的电磁转矩（与负载转矩平衡而产生的恢复电磁转矩称为静态转矩或静止转矩）与转子功率角的关系称为角度-静止转矩特性，这就是电机的静态特性。

如下图所示：因为转子为永磁体，产生的气隙磁密为正弦分布，所以理论上静止转矩曲线为正弦波。

此角度-静止转矩特性为步进电机产生电磁转矩能力的重要指标，最大转矩越大越好，转矩波形越接近正弦越好。

实际上磁极下存在齿槽转矩，使合成转矩发生畸变，如两相电机的齿槽转矩为静止转矩角度周期的4倍谐波，加在正弦的静止转矩上，则上图所示的转矩为：TL=TMsin[(θL/θM)π/2]其中TL与TM各表示负载转矩和最大静止转矩（或称把持转矩），相对应的功率角为θL和θM，此位移角的变化决定了步进电机位置精度。

根据上式得到：θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM)PM型永磁步进电机和HB混合式步进电机的步距角θs在前面的课程中讲过即：θs=180°/PNr，角度改为机械角度（弧度），则变成下式：θs=π/(2Nr)上式Nr为转子齿数或极对数，所以两相电机θM=θs。

负载转矩为电磁转矩的负载（如弹簧力或重物的提升力等），电机如要正反向运动，会产生2θL的角度偏差，要提高位置精度，θL就要小，因此，依据式θL=(2θM/π)arcsin(TL/TM)，应选择最大静止转矩Tm大、步距角θs小的步进电机，即高分辨率电机。

根据式θs=π/(2Nr)可知，要使θs越小，Nr越大越好。

另外，高分辨率的步进电机的转子结构大致分为PM型、R型、HB型三种，其中HB型分辨率最好。

由于PM型定子磁极为爪级结构的关系，定子磁极数的增加受到机械加工的限制。

HB型转子表面无齿，N极与S极在转子表面交替磁化，因此极数即为极对数Nr，同样的，转子磁极Nr的增加也受到充磁机械的限制。

步进电动机的特性 - 步进伺服1、步进电机的基本特点反应式步进电动机转速只取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。

步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响（在允许的负载范围内），也不受环境条件（温度、压力、冲击、和振动等）变化的影响，只与把握脉冲同步，同时，它又能依据把握的要求进行启动、停止、反转或转变速度，这就是它被广泛的应用于各种数字把握系统中的缘由。

2、距角特性距角特性是反映步进电动机电磁转矩T随偏转角变化的关系。

这一特性反映了比较电动机带负载的力量，它是电动机的最主要的性能指标之一。

步进电机的运行性能3、静特性所谓静态是指步进电动机不转变通电状态，转子不动时的状态。

步进电动机的静态特性主要指静态矩角特性和最大静转矩特性.。

1.静态矩角特性描述步进电动机静态时电磁转矩T与失调角之间关系的特性曲线称为矩角特性。

步进电动机矩角特性步进电动机最大静转矩特性2.最大静态转矩矩角特性上电磁转矩的最大值称为最大静态转矩。

它与通电状态及绕组内电流的值有关。

在肯定通电状态下，最大静转矩与绕组内电流的关系，称为最大静转矩特性。

当把握电流很小时，最大静转矩与电流的平方成正比地增大，当电流稍大时，受磁路饱和的影响，最大转矩Tmax上升变缓，电流很大时，曲线趋向饱和。

3、动特性步进电动机运行时总是在电气和机械过渡过程中进行的，因此对它的动特性有很高的要求，步进电动机的动特性将直接影响到系统的快速响应以及工作的牢靠性。

它不仅与电动机的性能和负载性质有关，还和电源的特性及通电的方式有关，其中有些因素还是属于非线性的，要进行精确的分析较为困难，通常只能接受近似的方法来争辩。

1.步进运行状态时的动特性开头时，步进电动机的矩角特性为曲线①所示，若电动机空载，则转子稳定在Ol点处。

加一个脉冲，通电状态转变，矩角特性曲线变成曲线②，转子将稳定在新的稳定点O2。

若电动机带负载，先假设负载转矩为T1，则在初始状态时电动机的稳定位置是曲线①上的01'点。

步进电机与伺服电机的综合比较步进电机和伺服电机是自动化工业生产中常用的执行电机，其应用领域十分相似，但事实上两者之间是存在一定差异的，本文通过说明两者之间的特点和工作原理，进一步分析了两者之间的区别，给实际生产运用提供了参考。

一、步进电机和伺服电机的主要特点（一）步进电机的主要特点1.步进电机没有积累误差。

一般来说，步进电机的精度大约是其实际步距角的3～5%，且不会累积。

2.步进电机在工作时，电脉冲信号会按一定顺序（例如A-B-C-A-B-C等）轮流加到各相绕组上。

3.步进电机与其它电机不同，其实际工作电压和电流可以超过额定大小，但选择时不应偏离额定值太多。

4.步進电机外表允许的最高温度可以达到80-90° C。

5.步进电机的力矩会随着其频率（或速度）的增大而降低。

6.混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围。

7.可以通过将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可改变其旋转方向。

（二）伺服电机的主要特点1.起动转矩比较大，当一旦给定子提供控制电压，转子就会立即转动，所以伺服电机具有起动快、灵敏度高的特点。

2.运行范围比较广。

3.不会产生自转现象，正常运转的伺服电机一旦失去控制电压，电机立即停止运转。

二、步进电机和伺服电机的工作原理（一）步进电机的工作原理步进电机可以将电脉冲信号转换为机械信号，步进电机每发送一个电脉冲，就可以使其旋转一个固定的角度，称为步距角。

步距角的大小由其转子齿数Zr 和拍数N所决定。

当连续给电机发送多个电脉冲信号时，就可以使其进行连续运行。

此外，可以通过改变发送的电脉冲信号的频率来控制电机转动的速度，从而实现精确定位和调速的目的。

（二）伺服电机的工作原理伺服电机内部也同样由定子和转子组成，其转子是永磁铁，驱动器控制的三相电首先在定子绕组中形成电磁场，而转子在这种电磁场的作用下发生旋转，与此同时伺服电机通过编码器将转动信号反馈给驱动器，通过闭环调节在驱动器内调整转子转动的角度，从而实现精确的定位控制。