步进电机的开环控制和闭环控制

步进电机工作原理及实现步进电机工作原理及实现步进电机是一种特殊类型的电动机，它以固定的步进角度和精确的位置控制而闻名。

步进电机的工作原理以及实现方法在各种应用领域中得到了广泛应用，例如数控机床、3D打印机、机器人等。

一、步进电机的工作原理步进电机的工作原理基于磁学和电动力学的原理。

步进电机的核心部分是由定子和转子构成的。

定子上包含若干个磁极，每个磁极的极性交替排列。

转子上包含若干个绕组，绕组与定子的磁极交替对应。

当绕组通电时，会在定子上产生磁场，磁场会引起转子上绕组的排斥或吸引力，从而使转子发生旋转。

步进电机主要有两种工作方式：单相驱动方式和双相驱动方式。

1. 单相驱动方式在单相驱动方式下，步进电机的绕组只有一组。

绕组通过与外部电源相连，使定子上的磁场在一个周期内不断变化。

当磁场变化时，转子会跟随磁场的变化而旋转。

单相驱动方式的优点是结构简单、易于控制和实现，但是在低速运行时容易出现失步现象。

2. 双相驱动方式在双相驱动方式下，步进电机的绕组有两组。

绕组通过与外部电源相连，使定子上的磁场交替变化。

每次只有一组绕组通电，吸引或排斥转子，使转子顺时针或逆时针旋转。

双相驱动方式相对于单相驱动方式而言，具有更好的性能和稳定性，但是实现相对复杂一些。

二、步进电机的实现方式步进电机的实现可以通过开环控制或闭环控制来实现。

1. 开环控制开环控制是指驱动电机时，不考虑电机的实际位置和运动状态，仅通过控制电机绕组的电流大小和方向来实现电机的旋转。

开环控制简单易实现，但是无法保证精确位置控制，不适用于对运动位置要求较高的应用场景。

2. 闭环控制闭环控制是在开环控制的基础上，添加了位置反馈的功能，通过检测电机的实际位置信息，对驱动信号进行实时调整，以保证位置控制的精确性。

闭环控制一般采用编码器或霍尔传感器来获取电机的位置反馈信号，然后通过比对反馈信号和目标位置信号，调整驱动信号来实现精确位置控制。

闭环控制相比于开环控制，可以实现更高精度的位置控制，但是实现过程相对复杂一些。

步进电机控制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步进电机件。

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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电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。

可以通过控制脉冲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。

一、步进电机的工作原理该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。

只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。

图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。

当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。

而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。

依次类推，A、B、C、D 四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。

单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。

八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：a. 单四拍b. 双四拍c八拍51单片机驱动步进电机的方法:驱动电压12V，步进角为7.5度. 一圈360 度, 需要48 个脉冲完成!该步进电机有6根引线，排列次序如下：1:红色、2:红色、3:橙色、4:棕色、5:黄色、6:黑色。

几种典型的步进电机闭环控制系统工业大学【摘要】系统阐述了步进电动机闭环控制系统的优点，给出了几种典型的闭环控制系统，并提出了步进电动机高精度定位系统的设计思想。

【叙词】步进电机闭环系统／高精度定位l概述步进电机是机电一体化产品中的关键元件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。

它能够将电的脉冲信号转换成相应的角位移，是一种离散型自动化执行元件。

随着计算机控制系统的发展，步进电动机广泛应用于同步系统、直线及角位系统、点位系统、连续轨迹控制系统以及其它自动化系统中，是高科技发展的一个重要环节。

2步进电动机闭环系统与开环系统比较[1-步进电机的主要优点之一是适于开环控制。

在开环控制下，步进电动机受具有予定时间间隔的脉冲序列所控制，控制系统中无需反馈传感器和相应的电子线路。

这种线路具有简单、费用低的特点，使步进电动机的开环控制系统得以广泛的应用。

但是，步进电机的开环控制无法避免步进电动机本身所固有的缺点，即共振、振荡、失步和难以实现高速。

另一方面，开环控制的步进电动机系统的精度要高于分级是很困难的，其定位精度比较低。

因此，在精度和稳定性标准要求比较高的系统中，就必须果用闭环控制系统。

步进电动机的闭环控制是采用位置反馈和（或）速度反馈来确定与转子位置相适应的相位转换，可大大改进步进电动机的性能。

在闭环控制的步进电机系统中，或可在具有给定精确度下跟踪和反馈时，扩大工作速度围，或可在给定速度下提高跟踪和定位精度，或可得到极限速度指标和极限精度指标。

步进电动机的闭环控制性能与开环控制性能相比，具有如下优点：a．随着输出转矩的增加，二者的速度均以非线性形式下降，但是，闭环控制提高了矩频特性。

b．闭环控制下，输出功率／转矩曲线得以提高，原因是，闭环下，电机励磁转换是以转子位置信息为基础的，电流值决定于电机负载，因此，即使在低速度围，电流也能够充分转换成转矩。

c．闭环控制下，效率一转矩曲线提高。

d．采用闭环控制，可得到比开环控制更高的运行速度，更稳定、更光滑的转速。

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电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。

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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电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。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而到达准确定位的目的；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，从而到达调速的目的。

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及电脑等许多专业知识。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和电脑技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机概述步进电机又称为脉冲电机,基于最基本的电磁铁原理,它是一种可以自由回转的电磁铁,其动作原理是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。

年前后开始以控制为目的的尝试,应用于氢弧灯的电极输送机构中。

这被认为是最初的步进电机。

二十世纪初,在自动交换机中广泛使用了步进电机。

由于西方资本主义列强争夺殖民地,步进电机在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中得到了广泛的使用。

二十世纪五十年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上,对于数字化的控制变得更为容易。

到了八十年代后,由于廉价的微型电脑以多功能的姿态出现,步进电机的控制方式更加灵活多样。

步进电机相对于其它控制用途电机的最大区别是,它接收数字控制信号电脉冲信号并转化成与之相对应的角位移或直线位移,它本身就是一个完成数字模式转化的执行元件。

步进电机和伺服电机的区别在于:1、控制精度不同。

步进电机的相数和拍数越多，它的精确度就越高，伺服电机取块于自带的编码器，编码器的刻度越多，精度就越高。

2、控制方式不同;一个是开环控制，一个是闭环控制。

3、低频特性不同;步进电机在低速时易出现低频振动现象，当它工作在低速时一般采用阻尼技术或细分技术来克服低频振动现象，伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出统内部具有频率解析机能(FFT)，可检测出机械的共振点便于系统调整。

4、矩频出，5、过载能力不同;步进电机一般不具有过载能力，而交流电机具有较强的过载能力。

6、运行性能不同;步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲现象，交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

7、速度响应性能不同;步进电机从静止加速到工作转速需要上百毫秒，而交流伺服系统的加速性能较好，一般只需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

交流伺服的应用领域1、冶金、钢铁—连铸拉坯生产线、铜杆上引连铸机、喷印标记设备、冷连轧机，定长剪切、自动送料、转炉倾动。

2、电力、电缆—水轮机调速器、风力发电机变桨系统、拉丝机、对绞机、高速编织机、卷线机、喷印标记设备等。

3、石油、化工—挤压机、胶片传动带、大型空气压缩机、抽油机等。

4、化纤和纺织--纺纱机、精纺机、织机、梳棉机、横边机等。

5、汽车制造业—发动机零部件生产线、发动机组装生产线，整车装配线、车身焊接线、检测设备等。

6、机床制造业—车床、龙门刨、铣床、磨床、机械加工中心、制齿机等。

7、铸件制造业—机械手、转炉倾动、模具加工中心等。

8、橡塑制造业--塑料压延机、塑料薄膜袋封切机、注塑机、挤出机、成型机、涂塑复合机、拉丝机等。

9、电子制造业—印刷电路板(PCB)设备、半导体器件设备(光刻机、晶圆加工机等)、液晶显示器(LCD)设备、整机联装及表面贴装(SMT)设备、激光设备(切割机、雕刻机等)、通用数控设备、机械手等。

开环步进电机与闭环步进电机系统比较步进电机系统是运动控制行业的基石。

我们将研究开环系统与闭环系统之间的差异，并了解步进电机最新的发展，步进电机系统比以往更快，更安静，更节能。

从电压驱动和完全步进的早期阶段开始，步进电机系统已经走过了漫长的道路。

首先是PWM驱动和微步进，然后是数字信号处理器（DSP）和反共振算法。

现在，新的闭环步进技术确保步进电机在未来几年继续成为运动控制行业的基石。

这是AppliedMotionProducts的StepSERVO闭环集成步进电机的剖视图。

无论运动是线性运动还是旋转运动，决定哪种电机和驱动系统最合适的两个首要考虑因素是扭矩和效率。

这适用于最终的应用是：自动装配系统，材料处理机器，3D打印机，笛卡尔定位器，蠕动泵，还是无数其他应用，其中步进电机是优选技术方案。

步进系统的最新发展是应用低成本，高分辨率的反馈设备和先进的DSP使步进运动形成一个闭环的环路。

这种控制可以提高闭环步进性能，使其优于开环系统。

正如我们所看到的，一个这样的闭环系统在集成电机设计上得以实现，包括反馈设备，驱动器和控制器板，电源，通信和I/O电子设备，以及电机侧面和背面的系统连接器。

开环与闭环步进系统比较首先让我们探讨高性能闭环步进系统在扭矩和效率方面与传统开环步进系统的比较。

闭环步进系统优于开环系统，如实验室测试结果所示，比较两个系统的加速度（扭矩），效率（功耗），位置误差（精度），发热量和噪音水平。

只考虑扭矩和加速度之间的关系。

扭矩-速度曲线显示闭环步进系统的峰值和连续扭矩范围明显优于开环步进系统的可用扭矩范围。

通常情况下，现实世界中的扭矩会转化为加速度-因此具有更大扭矩的电机可以更快地加速给定负载。

为了在实验室中测试扭矩性能的这种差异，同样大小的开环和闭环步进电机系统获得相同的惯性负载。

编程命令两个系统执行相同的移动配置文件，除了加速率和最高速度在每个系统中缓慢增加，直到它们产生定位错误。

这里我们有一个开环与闭环系统之间的移动剖面比较。

步进电机驱动器与伺服电机驱动器的区别【干
货】
1、控制精度不同。

步进电机的相数和拍数越多，它的精确度就越高，伺服电机取块于自带的编码器，编码器的刻度越多，精度就越高。

2、控制方式不同；一个是开环控制，一个是闭环控制。

3、低频特性不同；步进电机在低速时易出现低频振动现象，当它工作在低速时一般采用阻尼技术或细分技术来克服低频振动现象，伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。

交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点便于系统调整。

4、矩频特性不同；步进电机的输出力矩会随转速升高而下降，交流伺服电机为恒力矩输出，
5、过载能力不同；步进电机一般不具有过载能力，而交流电机具有较强的过载能力。

6、运行性能不同；步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲现象，交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码
器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

7、速度响应性能不同；步进电机从静止加速到工作转速需要上百毫秒，而交流伺服系统的加速性能较好，一般只需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，但是价格比就不一样了。

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步进电机和交流伺服电机性能比较步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。

在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。

随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。

为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。

虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。

现就二者的使用性能作一比较。

一、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、 1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。

也有一些高性能的步进电机步距角更小。

如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。

以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。

对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。

是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

二、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。

振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。

这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。

现如今步进电机设备被广泛运用在生活的各个领域，对人们的生活带来了很多的便利。

步进电机的主要优点之一是适于开环控制。

但是，步进电机的开环控制无法避免步进电机本身所固有的缺点，即共振、振荡、失步和难以实现高速。

另一方面，开环控制的步进电机系统的精度要高于分级是很困难的，其定位精度相对较低。

因此，在精度和稳定性要求比较高的系统中，就必须果用闭环控制系统。

步进电机的闭环控制是采用位置反馈和(或)速度反馈来确定与转子位置相适应的相位转换，可大大改进步进电机的性能。

在闭环控制的步进电机系统中，或可在具有给定精度下跟踪和反馈时，扩大工作速度范围，或可在给定速度下提高跟踪和定位精度，或可得到极限速度指标和极限精度指标。

步进电机的闭环控制性能与开环控制性能相比，具有如下优点：a.随着输出转矩的增加，二者的速度均以非线性形式下降，但是，闭环控制改善了矩频特性。

b.闭环控制下，输出功率/转矩曲线得以改善，原因是，闭环下，电机励磁转换是以转子位置信息为基础的，电流值决定于电机负载，因此，即使在低速度范围内，电流也能够充分转换成转矩。

c.闭环控制下，效率/转矩曲线得以改善。

d.采用闭环控制，可得到比开环控制更高的运行速度，更稳定、更光滑的转速。

e.利用闭环控制，步进电机可自动地、有效地被加速和减速。

f.闭环控制相对开环控制在快速性方面提高的定量评价，可借助比较Ⅳ步内通过某个路径间隔的时间得出：n-步进电机转换拍数(N>n)。

g.应用闭环驱动，效率、功率和速度同时得到提高。

闭环驱动的步进电机的性能在所有方面均优于开环驱动的步进电机。

步进电机闭环驱动具有步进电机开环驱动和直流无刷伺服电机的优点。

因此，在可靠性要求很高的位置控制系统中，闭环控制的步进电机将获得广泛应用。

深圳市维科特机电有限公司成立于2005年，是步进电机产品的销售、系统集成和应用方案提供商。

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