步进电机的运行特性.

一文搞懂步进电机特性原理及驱动器设计1、步进电机的概念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，又称为脉冲电机。

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时，它就可以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”。

步进电机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。

步进电机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。

2、步进电机的特点步进电机工作时的位置和速度信号不反馈给控制系统，如果电机工作时的位置和速度信号反馈给控制系统，那么它就属于伺服电机。

相对于伺服电机，步进电机的控制相对简单，但不适用于精度要求较高的场合。

步进电机的优点和缺点都非常的突出，优点集中于控制简单、精度高，缺点是噪声、震动和效率，它没有累积误差，结构简单，使用维修方便，制造成本低。

步进电机带动负载惯量的能力大，适用于中小型机床和速度精度要求不高的地方，缺点是效率较低、发热大，有时会“失步”。

优缺点如下所示。

优点：1. 电机操作易于通过脉冲信号输入到电机进行控制；2. 不需要反馈电路以返回旋转轴的位置和速度信息（开环控制）；3. 由于没有接触电刷而实现了更大的可靠性。

缺点：1. 需要脉冲信号输出电路；2. 当控制不适当的时候，可能会出现同步丢失；3. 由于在旋转轴停止后仍然存在电流而产生热量。

3、步进电机的分类在相同电流且相同转矩输出的条件下，单极型步进电机比双极型步进电机多一倍的线圈，成本更高，控制电路的结构也不一样，目前市场上流行的大多是双极型步进电机。

步进电机在构造上通常主要按照转子特点和定子绕组进行分类，下面将详细介绍这两种类型的分类。

按照转子分类，有三种主要类型：反应式（VR型）、永磁式（PM型）、混合式（HB型）。

什么是步进电机？步进电机：也称脉冲电机，是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

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。

基本原理通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。

该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。

当定子的矢量磁场旋转一个角度。

转子也随着该磁场转一个角度。

每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。

它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。

改变绕组通电的顺序，电机就会反转。

所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

电机开环控制一种控制电机、不使用反馈回路、就能进行速度控制及定位控制，即所谓的电机开环控制。

步进电机开环控制原理定子一相绕组流过直流电流，最近该相的转子齿被定子相吸引，电磁转矩大于负载转矩从而使转子运动。

电机基本分类按电压种类分:AC（交流）驱动、DC（直流）驱动。

按旋转速度与电源频率关系分：同步电机、异步电机。

步进电机概要1.步进电机的地位步进电机属于：DC驱动的同步电机，但无法直接用DC或AC电源来驱动，需要配备驱动器。

2.步进电机驱动电路的功能驱动电路任务：按顺序指令切换DC电源的电流流入步进电机的各相线圈。

驱动电路将电机定子与DC电源连接在一起工作。

驱动器（驱动电路）由决定换向顺序的控制电路（或称为逻辑电路）与控制电机输出功率的换相电路（或称为功率电路（Power stage））组成。

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。

步进电机工作原理,特点及应用-步进电机工作原理,特点及应用一、前言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、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，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的误差而无累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，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、电子及计算机等许多专业知识。

目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。

仅仅处于一种盲目的仿制阶段。

这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。

签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。

叙述其基本工作原理。

望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。

二、感应子式步进电机工作原理（一）反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。

下面先叙述三相反应式步进电机原理。

1、结构：电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。

0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：2、旋转：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。

由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。

而方向由导电顺序决定。

不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。

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。

第三节步进电动机及其驱动一、步进电机的特点与种类1.步进电机的特点步进电机又称脉冲电机。

它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。

每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。

转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比,并在时间上与输入脉冲同步。

只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。

步进电动机具有以下特点：✍工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流大小与波形变化、温度等）的影响;✍步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零” ;✍由于可以直接用数字信号控制，与微机接口比较容易;✍控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”；✍不需要传感器进行反馈,可以进行开环控制;✍缺点是能量效率较低。

就常用的旋转式步进电动机的转子结构来说，可将其分为以下三种：（1）可变磁阻(VR-Variable Reluctance）,也叫反应式步进电动机（2）永磁（PM—Permanent Magnet）型（3）混合(HB—Hybrid）型（1）可变磁阻（VR—Variable Reluctance）结构原理：该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿形转子作步进驱动，故又称作反应式步进电动机.其结构原理如图3.5定子1上嵌有线圈，转子2朝定子与转子之间磁阻最小方向转动，并由此而得名可变磁阻型。

图3。

6 可变式阻步进电机可变磁阻步进电机的特点：❖反应式电动机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力；❖需要将气隙作得尽可能小,例如几个微米；❖结构简单，运行频率高，可产生中等转矩,步距角小（0。

09~9°）❖制造材料费用低；❖有些数控机床及工业机器人上使用。

（3)混合（HB—Hybrid）型结构原理这类电机是PM式和VR式的复合形式。

其定子与VR类似，表面制有小齿，转子由永磁铁和铁心构成，同样切有小齿，为了减小步距角可以在结构上增加转子和定子的齿数。

一、实验目的1. 了解步进电机的工作原理和特性；2. 掌握步进电机的驱动方式和控制方法；3. 熟悉步进电机在不同控制方式下的运行特点；4. 提高电子电路设计、调试和故障排除能力。

二、实验原理步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行元件，其特点是步进角小、定位精度高、响应速度快。

步进电机主要由转子、定子和控制电路组成。

1. 转子：由永磁材料制成，具有多个均匀分布的齿；2. 定子：由铁芯和线圈组成，线圈分为若干相，每相对应一组线圈；3. 控制电路：产生脉冲信号，驱动步进电机转动。

步进电机的驱动方式主要有两种：直流驱动和交流驱动。

本实验采用直流驱动方式，通过控制线圈电流的通断，使步进电机产生旋转。

三、实验仪器与设备1. 步进电机实验装置一套；2. 电源一台；3. 信号发生器一台；4. 示波器一台；5. 电流表一台；6. 电压表一台；7. 集成电路测试仪一台。

四、实验内容及步骤1. 步进电机工作原理观察（1）观察步进电机转子与定子齿的相对位置；（2）分析步进电机转动过程中的齿对齿的相互作用。

2. 步进电机驱动电路设计（1）根据步进电机型号，设计驱动电路，包括电源、驱动芯片、驱动线圈等；（2）连接电路，检查无误后通电测试。

3. 步进电机控制方法实验（1）观察步进电机在不同控制方式下的运行特点，如正转、反转、慢速、快速等；（2）调整控制参数，使步进电机满足实验要求。

4. 步进电机运行特性分析（1）观察步进电机在不同转速下的运行情况；（2）分析步进电机转速与控制脉冲频率的关系；（3）研究步进电机负载变化对转速的影响。

5. 步进电机故障排除（1）观察步进电机运行过程中的异常现象；（2）分析故障原因，如驱动电路故障、控制程序错误等；（3）进行故障排除，确保步进电机正常运行。

五、实验结果与分析1. 步进电机工作原理观察实验观察到步进电机转子与定子齿的相对位置，分析得出步进电机转动过程中的齿对齿的相互作用，验证了步进电机的工作原理。