步进电机控制系统浅析

【摘 要】步进电机是一种数字电机，具有无累积误差、性价比高等优点，被广泛应用于生活和生产领域中。步进电机作为一种将电脉冲信号转换成相应角位移的执行器件，具有定位精度高、动态力矩大、控制简单等特点，可以直接采用数字脉冲信号进行开环控制。本文对步进电机进行了概述，研究了其优点和缺点，并对其控制系统进行了简单的研究。

【关键词】步进电机;控制系统;矩频;运行

步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移或直线位移的机电一体化执行机构。和其它电机不同之处在于它只接收脉冲控制信号，交直流电源直接供电，电机无法工作，使用时必须匹配合适型号的驱动器，由电机驱动器供给脉冲信号，所以步进电机性能的好坏很大程度上由配套的驱动器性能决定。驱动技术的不同，电机的工作性能有明显的高低之分。由于步进电机有成本低、易于控制、定位准确及步距误差不长期累计等优点，被广泛应用在数控设备、机械手、绘图机、印刷和包装设备等工业、军事和医疗自动化领域中。

一、步进电机概述

步进电动机又称脉冲电机，运动形式为步进式运动，故称为步进电动机。按脉冲信号的作用效果可分为旋转式和直线式。每相依次轮流脉冲激励，电机的运动形式表现为角位移量叫做旋转式步进电机，若是直线式运动形式则称为直线电机。应用最常见的是旋转式步进电机，所以一般称步进电机都是指旋转式的电机。步进电机的步距角标注在电机铭牌上，表示电机在一个电脉冲信号激励下转过的角度。因为步进电机只受脉冲信号作用，它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比关系，所以步进电机的运动速度也与脉冲频率成正比，通过改变脉冲信号频率可以很方便的调节电机的转速，并能快速起动、制动和反转，除此之外，步进电机还拥有以下优点：

（1）电机包含部件少，可靠性高。步进电机内部采用无刷结构，不需要换向器等易损器件，相比其他电机可靠性更高，电机部件较少，使用寿命更长。

（2）无积累误差，可直接进行开环控制。虽然步进电动机步进一步的位移量与理论的步距角之间总有一定的误差，但因步进电机的结构特殊性，转子步距角误差不会将每次误差叠加。所以，同样成本下，步进电机无传感器的开环控制系统，比其他电机的控制精度和定位更精确。

（3）步距角选择范围大且与环境无关。步距角是电机的本质属性，每个电机的步距角都是固定不变的，与温度、湿度、电压等使用条件无关。而且步距角可通过细分技术在很大范围内选择，细分技术可以将步距角细分到千分位。

（4）简易便捷的定位控制。由于步进电机固有步距角不会改变，通过计算旋转一周需要的脉冲，结合细分技术很容易控制电机旋转一定角度，比伺服电机简易便捷。

鉴于以上优点，步进电机应用比较广泛，相比于昂贵的伺服控制系统，步进电机的性价比很高，在数控机床、雕刻机、纺织机等设备中，步进电机是首选的执行机构。但是步进电机本身也有着以下明显的不足之处：

（1）存在丢步或过冲、振荡有噪声现象。步进电机的绕组能量过剩或者不足导致转子转动速度快或慢于磁场旋转速度，就会发生过冲或失步现象。电机在失步情况下运行，振荡更加明显，严重时伴有呼啸声，并且电机的绕组发热加剧，影响电机寿命。

（2）运行矩频特性。速度可以通过调节频率在宽范围内进行平滑变化，在控制脉冲频率連续上升时，能维持不失步运行的最高频率称为运行频率，随着频率的不断升高，电机的输出转矩也随之下降的特性称为步进电机的运行矩频特性。

（3）具有起动频率和起动矩频特性。起动频率不能太高，否则会堵转导致电机失步，无法起动。

虽然步进电机存在这些缺点，但随着驱动器技术的发展，步进电机的性能有了显著的改善，克服步进电机的缺陷，最大利用机构的使用性能，使步进电机应用的更加宽广，设计高性能的驱动器显得尤为重要。

二、步进电机分类

步进电机的种类较多，按照结构特点一般将步进电机划分为反应式、永磁式和混合式三大类，其中应用最多的是混合式步进电机。按相数可分为二相和多相两种。三大类型的步进电机的各个特点介绍如下：

（1）反应式步进电机（Variable Reluctance，简称 VR） VR 的转子是易于磁化、易于退磁的软磁材料，具有低矫顽力和高磁导率。定子上分布着绕组，绕组数由相数决定，转子和绕组的磁极上都有小齿。反应式步进电机的起动和运行频率较高，结构简单，成本较低，步距角小，但动态特性较差。电机负载转矩低，容易振荡。

（2） 永磁式步进电机（Permanent Magnet，简称 PM） PM 的转子是由永久磁钢材料制成，具有磁性。定子的磁极上没有齿，转子和定子的极数相同，步距角通常比较大。PM 的扭矩宽硬，动态特性好，但步距角太大导致高速性能差，电机更容易震荡。

（3） 混合式步进电机（Hybrid，简称 HB） HB 结合了 VR 和 PM 两者的优点。既具有反应式步进电机的步距角小特点，又具有永磁式步进电机的输出力矩大、绕组电感小等优点，结构上转子是永磁体，定子激磁只需提供变化的磁场即可，因此电机效率高、电流小、发热低。

三、步进电机控制系统概述

步进电机是一种将电脉冲转换角位移的精确元件，它受脉冲信号控制，其位移与输入数字脉冲个数成严格正比的关系。通常步进电机控制系统包括脉冲分配器和功率驱动器两部分。

步进电机需要数字脉冲作为驱动信号，所以不能直接在交直流电源上工作，需要一个驱动器对数字脉冲进行转换和分配。步进电机控制系统的工作性能，除与电机本身的性能和控制方法有关外，驱动技术的优劣也是一个重要因素。当电机和负载已经确定之后，整个电机控制系统的性能就取决于驱动技术和控制方法。驱动技术的不同导致的步进电机性能上的差异十分明显，主要体现在输出力矩的大小，电机的响应速度、在固有频率点附近抖动等方面。应用中发现先进的驱动技术将能明显提高步进电机的性能胃。

步进电机的驱动方式有多种，目前常用的驱动方式有恒流斩波驱动、细分驱动、升频升压驱动等。传统的驱动方式只控制步进电机绕组电流的通断，因此，在转子齿数不变的情况下，要想提高运行时的分辨率只能改变绕组的相数。采用电流控制技术可以方便地将步进电机的步距角进行细分，从而实现对步进电机的细分控制，这使得步进电机运行时的运行精度和稳定性得到了很大程度的提高。

在众多类型的步进电动机中，混合式步进电机应用最为普遍，但是步进电机及其系统存在低速容易振荡、高速转矩变小、失步等缺点，已成为阻碍步进电机发展的一些制约性因素，所以步进电机常常用于低速驱动。但在一些既需要低速运行，又需要高速运转有力矩的场合，满足驱动要求的驱动技术的研究显得迫在眉急，否则整个设备的工作效率将会下降，以致影响步进电动机的应用前景。另外，步进电机需要有升降速过程才能运行平稳，即步进电机的起动特性。开始起动时，如果加在电机上脉冲信号频率过高，则会出现失步或振荡，电机会抖动并有呼啸声。因此，研制高性能的驱动控制器，既对提高我国在这方面的科学技术水平起到一定的促进作用，又具有极大的实用价值。

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作者简介：宋健（1986—），男，汉族，山东寿光人，潍坊科技学院教师，讲师，研究方向：微电子。