步进电机控制工作原理
步进电机的名称
步进电机(stepping motor),步进电机(step motor)，或者是脉冲电机(pulse motor)，其它的如(stepper motor)等……有着各式各样的称呼方式，这些用日本话来表示的时候，就成为阶动电动机，还有，阶动就是一步一步阶段动作的意思，这各用另外一种语言来表示时，就是成为步进驱动的意思，总之，就是输入一个脉冲就会有一定的转角，分配转轴变位的电动机。
步进电机简介：
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组件。
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。
单相步进电机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进 电机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电机各项绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。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。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。
步进电机按旋转结构分两大类：1是圆型旋转电机如下图A 2直线型电机，结构就象一个圆型旋转电机被展开一样，如下图B
一，步进电机的种类
现在，在市场上所出现的步进电机有很多种类，依照性能及使用目的等有各自不同的区分使用。
举个例子，各自不同的区分使用有精密位置决定控制的混合型，或者是低价格想用简易控制系构成的PM型，由于电机的磁气构造分类， 因此就性能上来说就会有影响，其它的有依步进 电机的外观形状来分类，也有由驱动相数来分类，和驱动回路分类等。
以步进电机的转子的材料可以分为三大类。
〈1〉PM型步进电机:永久磁铁型(permanent magnet type)
〈2〉VR型步进电机:可变磁阻型(variable erluctance type)
〈3〉HB型混合型步进电机，复合型(hybrid type)
1，PM型
PM型步进电机的原理构造如图1所示，转子是永久磁铁所构成，更进一步的往这个周围配置了复数个的固定子。
在图2.2.1上，转子磁铁为N、S一对，而它的固定子线圈由4个构成，这些因为和步进角有直接关系，所以如需要较微细的步进角时，转子磁铁的极数和发生驱动力的固定子线圈的数不能不对应的增加，还有在图1的构造步进角为90°。
图1 PM型步进电机的原理图(2相单极)
而且，PM型的特征是因为在转子是永久磁铁构成的，所以就算在无激磁(固定子的任何线圈不通电时)也需在一定程度上保持了转矩的发生，因而，依照利用这种的性质效果，可以构成省能积形的系统。
这种的步进电机，它的步进角种类很多，钐钴系磁铁的转子是用在45°或者90°上，而且这些也可以用氟莱铁(ferrite)磁铁作为多极的充磁，有3.75°、11.25°、15°、18°、22.5°等丰富的种类，但是从这些数字上看7.5°(转48步进)是最为普及化的。
2， VR型
VR型步进电机的构造，如图2所示，转子是利用转子的突极吸引所发生的转力，因而VR型在无激磁的时候，并不发生保持转矩。
图2 VR型步进电机的原理图(2相单极)
主要的用途适用在比较大的转矩上的工作机械，或者特殊使用的小型起动机的上卷机械上。其它也有用在出力为1W以下的超小型电机上，总之，VR型的数量是非常少的，在步进 电机的全部生产量上只有数%程度而已。
还有，步进角的种类有15°、7.5°、也有1.8°，但是在数量上以1.5°步进为最普及化。
3 ，HB混合型
混合型步进电机，是由固定子磁(齿)极以及和它对向的转子磁极所构成的，更近一步的它的转子有这多数的齿车状，在这些上是由转轴和在同方向被磁化的永久磁铁所组合而成，还有在构造上比前面的PM型以及VR型更复杂，基本上是可以考虑由VR型和PM型一体化的构造。
hybrid type型有混合型的意思存在，这个刚好是VR型和PM型两者组合的情况，所以就有如此的称呼。
一般上混合型，因具有高精度、高转矩、微小步进角和数个优异的特征，所以刚开始在OA关系，其它的分类上也大幅的被使用，特别是在生产量上大半是使用在盘片记忆关系的磁头转送上。
还有，在步进角上有0.9°、1.8°，其它的3.6°也有，比起其它的电机而言，具有极细的步进角。
图3为混合型步进电机的构造图，在此，在固定子上侧有8个激磁线圈部，更近一步的在磁极的先端上有复数的小齿(齿车状突极) ，这些是对于转子侧的齿车状磁极，还有步进电机的驱动机械装置。
图3混合型步进电机的构造图(2相单极)
二，步进电机的驱动原理
关于步进电机的驱动机械装置，用简单的构造图简易说明，在图4
是为了要说明步进电机驱动原理的构造图，在固定架构上有4个电磁铁并列这，它的下方有一个可动磁铁对向这，而且，在磁铁的下侧上装置了引导滚轮作直线状的引导轴，沿这左、右移动的构造。
图4 直线型步进电机驱动原理
如此，在此对步进电动机的动作顺道追加说明，现在，电磁铁L1和可动磁铁Mg之间相互作用产生的磁气吸引力，因而在这里场合，(a)部的位置滑动部产生静止作用，其次是电磁铁L2激磁时，刚才的电磁铁L1 OFF，由于如此可动磁铁就被吸引附在电磁铁L2的位置上，就成为在(b)的位置上，更进一步的在电磁铁L3受激磁时，刚才的电磁铁L2 OFF，由于如此可动磁铁就移动至电磁铁L3的位置为止，就成为在(c)的位置上。
以下，依照这各动作而反复的操作，可动磁铁就会向箭头方向移动，因而，依照像这种动作顺次的操作下，可以实现出一种致动器(在此为直线运动)，还有，在此所使用的电磁铁L1~L4，在任何可动磁铁(Mg)侧上，都以产生N极的电流流通。
而且，在此所说的构造图并不是只能有4个电磁铁而已，在必要上也可增加它的对应数。
图4的电机为直线型运动，总之就是属于线性步进电机，因而，就如这样并不能成为转型的情况，如此，为了要成为转型就必须下些功夫，图5为了要使刚才线性型的构造成为旋转型的总结，所以它的驱动原理在本质上和刚才的直线运动型一样。
图5 作为转构造的产品
三，步进电机的特点
〈1〉 旋转的角度和输入的脉冲成正比，因此用开回路控制即可达成高精确角度及高精度定位的要求。
〈2〉 启动、停止、正反转的应答性良好,控制容易。
〈3〉 每一步级的角度误差小，而且没有累积误差。
〈4〉 在可控制的范围内，转 速和脉冲的频率成正比，所以变速范围非常广。
〈5〉 静止时，步进电机有很高的保持转距(holding torque)，可保持在停止的位置，不需使用煞车器即不会自由转动。
〈6〉 在超低速有很高的转距。
〈7〉 可靠性高，不需保养，整各系统的价格低廉。
〈8〉 高速运转时容易失步
〈9〉 在某一频率容易产生振动或共振现象
四，选择步进电机的参数
引入转矩(pull-in torque)
引入转矩是指步进马达能够与输入讯号同步起动、停止时的最大力矩，因此在引入转矩以下的区域中马达可以随着输入讯号做同步起动、停止、以及正反转，而此区域就称作自起动区(start-stop region)。
最大自起动转矩(maximum starting torque)
最大自起动转矩是指当起动脉波率低于10pps时，步进马达能够与输入讯号同步起动、停止的最大力矩。
最大自起动频率是指马达在无负载（输出转矩为零）时最大的输入脉波率，此时马达可以瞬间停止、起动。
脱出转矩(pull-out torque)最大自起动频率(maximum starting pulse rate)
脱出转矩是指步进马达能够与输入讯号同步运转，但无法瞬间起动、停止时的最大力矩，因此超过脱出转矩则马达无法运转，同时介于脱出转矩以下与引入转矩以上的区域则马达无法瞬间起动、停止，此区域称作扭转区域(slew region)，若欲在扭转区域中起动、停止则必须先将马达回复到自起动区，否则会有失步现象的发生。
最大响应频率(maximum slewing pulse rate)
最大响应频率是指马达在无负载（输出转矩为零）时最大的输入脉波率，此时马达无法瞬间停止、起动。
保持转矩(holding torque)
保持转矩是指当线圈激磁的情况下，转子保持不动时，外界负载改变转子位置时所需施加的最大转矩。
步进马达转矩与转速之关系为指数式反比，也就是当转速越大时转矩越小，相反的转速越小则转矩越大，这种现象是因为激磁线圈可以视为电感与电阻的串联电路，当激磁时线圈的电流与电阻、电感的关系如下式所示：
(1)
其中时间常数
。由式(1)可知线圈之激磁电流是随时间而变，而输出转矩则与电流大小成正比，因此当转速慢时线圈电流有足够的时间达到最大值，因此输出转矩较大；相同的，当转速提高时激磁讯号变换快速，使得线圈电流减弱造成输出转矩下降。
五，步进电机术语 ：
*相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。
*步数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四步执行方式即AB-BC-
*CD-DA-AB，四相八步执行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
*步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*执行步数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四步执行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八步执行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。
*定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。
*静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过分采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。
六，步进电机工作过程
脉冲信号的产生
脉冲信号一般由CPU或单片机产生的，一般脉冲信号的比例为0.3-0.4左右，电机转速越高，比例则越大。
�微处理器
以四相步进电机为例，四相电机工作方式有二种，四相四步为AB-BC-CD-DA；四相八步为AB-B-BC-C-CD-D-AB。
�功率放大
功率放大是步进电机驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于步进电机的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的驱动方式，到目前为止，步进电机驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
图 6 步进电机控制流程图
七，步进电机之运转特性：
图6的步进电机控制流程图中，步进电机系由微电脑控制器所控制，当控制信号自微电脑输出后，随即由驱动器将信号放大，达到控制电机运转的目的，整个控制流程中并无利用到任何回馈信号，因此步进电机的控制模式为典型的闭回路控制(Close loop control)。闭回路控制的优点为控制系统简洁，无回馈信号因此不需传感器成本较低，不过正由于步进电机的控制为开路控制，因此若电机发生失步或失速的情况时，无法立即利用传感器将位置误差传回做修正补偿，要解决类似的问题只能从了解步进电机运转特性着手。
所谓失速是指当电机转子的旋转速度无法跟上定子激磁速度时，造成电机转子停止转动。电机失速的现象各种电机都有发生的可能，在一般的电机应用上，发生失速时往往会造成绕组线圈烧毁的后果，不过步进电机发生失速时只会造成电机静止，线圈虽然仍在激磁中，但由于是脉冲信号，因此不会烧毁线圈。
失速是指转子完全跟不上激磁速度而完全静止，失步的成因则是由于电机运转中瞬间提高转速时，因输出转矩与转速成反比，故转矩下降无法负荷外界负载，而造成小幅度的滑脱。失步的情况则只有步进电机会发生，要防止失步可以依照步进电机的转速－转矩曲线图调配电机的加速度控制程序。图7为步进电机之特性曲线，图中横坐标的速度是指每秒的脉冲数目(pulses per second)。与一 般电机特性曲线最大的不同点是步进电机有两条特性曲线，同时步进电机可以正常操作的范围仅限于引入转矩之间。图7中所示之各个动态特性将分别叙述如下：
图7 步进电机特性曲线
八，步进电机的运用
由于步进电机所使用的驱动讯号为脉波讯号，因此以普通直流电源加在电机绕组时，电机是不会连续转动的。此外，步进电机的电源线最少有五条，其中一条为共接点，其余四条分别为A相、A+相、B相、B+四相的输入点，有些步进电机的电源线共有六条，其中两条为共接点，将A相、A+相，与B相、B+四相的输入点分成两组。要分辨何者为共接点，何者为输入点以及正、反转的激磁顺序，可以先用三用电表之奥姆档量测线圈之电阻值，理论上各相的电阻值应相等，找出共接点后再以低于额定电压电流之直流电源一一测试，便可找出步进电机正、反转的激磁顺序。
九，步进电机运转原理
如图1为四相(实际为2相）式步进电机的基本构造图。中间转子由永久磁铁所构成，左边为N极，另一边为S极。定子有四组线圈，分别为L1、L2、L3及L4，各线圈的C端共接电源正极，另一端经由开关接在电源的负极，在看图8。
当我们把开关S1按下，则线圈A通入电流，产生N极磁场，因为磁场同性相斥、异性相吸，使转子的S极被A极吸引过来。其次，放掉开关S1，并且立刻按下开关S2，则A极的磁场消失，B极产生磁场，把转子的S极吸引过来，转子随着顺时针方向90度。像这样依次让定子的四个极通入电流，就可以使转子不停的旋转。
图8 单极激磁等效驱动电路
十，步进马达的激磁方式
步进马达依定子线圈的相数不同可分成二相、四相及五相式，小型步进马达以二相式较为普遍。
单极性型(unipolar) ：定子磁极极性为同一方向，如可变磁阻式步进马达，磁极线圈只有一组，所加的激磁电流为固定方向，因此单极性步进马达所需的电源较简单。单极性驱动电路使用四只晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机结构则如图9所示包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接-图9。这类电机有时又称为四相电机，但这种称呼容易令人区分不了又不正确，因为它其实只有两个相位，精确的说法应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。
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图9 单极性二相步进电机驱动电路
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双极性型(bipolar) ：定子磁极极性为两个方向，如永久磁铁式步进马达，其转子的极性和定子磁极极性有交互变化的需要。单一激磁线圈时其激磁方向为正负交替变化，两组磁极线圈时，一组正向激磁，另一组负向激磁，两组交替变化，使定子磁极极性变化。以双极方式运用，其电源较为复杂。双极性步进电机的驱动电路则如图2所示，它会使用八只晶体管来驱动两组相位。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机，虽然四线式电机只能使用双极性驱动电路，它却能大幅降低量产型应用的成本。双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍，其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动，上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，所以它不像单极性驱动电路一样需要箝位电路。
图10 双极性步进电机驱动电路
二相步进马达的激磁方式有下列两种:
(1).全步激磁
全步激磁方式又可分为1 相激磁与2相激磁两种方式，说明如下:
1相激磁
每次只激磁一相线圈，每输入一个脉波，便产生一步级的转，如图11所示，由图中可知，当激磁依A→B→A→B→A……相顺序，则马达顺时针方向旋转;若依B→A→B→A→B……相顺序激磁，则马达依逆时针方向旋转。此种激磁方式之优点为线圈消耗功率小，角精确度良好，但其转距小，加上阻尼特性不良，易失步。
图11
2相激磁
每输入一个脉波，将有二相线圈激磁，如图12所示，由图中可知，若依AB→BA→AB→BA→AB……相顺序激磁，则马达顺时针方向旋转:若依BA→AB→BA→AB→BA……相顺序激磁，则马达转向为逆时针方向。此种激磁方式由于同时有两组线圈激磁，输出转距较大，加上阻尼效果良好，故能追踪较高的脉波率，但其缺点为耗电较大，容易发热。
图12
（2）半步激磁
此种激磁方式又称1-2相激磁，激磁一相线圈和二相线圈交互进行，每加入一数字脉波所转动之角度为原步进角的一半，因此分辨率可提高一倍，且运转时相当平滑，故与2相激磁方式同受广泛使用。图13为二相步进马达采用1-2相激磁方式之时序图，由图中可知，若依照A→AB→B→BA→A→AB→B→BA→A→AB……相的顺序激磁，则步进马达将以顺时针方向旋转；但如果依照BA→A→AB→B→BA→A→AB→B→BA……相顺序激磁，则马达逆时针方向旋转
图13
图14 二相5线/6线步进电机内部接线图
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