步进电机的基本原理
摘要
本文主要研究步进电机的原理，首先分析了步进电机的工作原理，分别就步进电机的单三拍运行方式，三相单、双六拍运行方式和三相双三拍运行方式对步进电机的基本工作原理进行了讨论。然后再就步进电机的静态运行特性，步进运行特性和连续运转特性对步进电机的运行特性进行了讨论，得到不同运行条件下步进电机的运行特性。
因为步进电机的运用可以从不同的角度去考虑，所以在本文中就作者的理解和查找资料的阐述，在步进电机的运用中讨论了步进电机在运用中的类型和步进电机运用的各种领域，以及步进电机的特点、驱动方式和步进电机的控制。最后就步进电机的运用中的精度问题进行了分析，得到了影响步进电机运行精度的一些因素。
关键词：步进电机 脉冲 步距 控制
前言
步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的电执行元件。每当输入一个电脉冲时，它便转过一个角度，这个角度称为步距角 ，简称步距。脉冲一个一个地输入，电机便一步一步地转动，步进电机因此而得名。
步进电机的位移量与输入脉冲严格成比例，这就不会引起误差的积累，其转速与脉冲频率和步距角有关。控制输入数量、频率及电动机各相的接通次序，可以得到各种需要的运行特性，如：脉冲数增加，直线或角位移随之增加；脉冲频率高，则电动机旋转速度就高，反之则慢；分配脉冲的相序改变以后，电动机便逆转。从电动机绕组所加的电源型式来看，与一般的交直流电动机的也有所区别，它既不是正弦波，也不是恒定电压，而是脉冲电压，所以有时也称这种电动机为脉冲电动机。
步进电动机是受其输入信号，即是一系列的电脉冲信号控制而动作的。脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为使电动机能够输出足够的功率，经环形分配器产生的脉冲信号进行功率放大。环形分配器、功率放大器以及其他控制线路组合是步进电机的驱动电源，它对步进电机来说是不可缺少的部分。步进电机、驱动电源和控制器构成步进电机传动控制系统。
步进电机转子运行的速度主要取决于脉冲信号的频率，总位移量取决于总的脉冲信号数，故它作为伺服电机运用于控制系统时，往往可以使系统简化、工作可靠，而且不需要位移传感器就可以达到较精确的定位，获得较高的控制精度。在大多数情况下，它可以代替交直流伺服电机。近年来，微电子技术、电力电子技术和计算机技术的发展，数控系统的采用，及大地促进了电动机的发展，使步进电机在机械、电子、纺织、化工、石油、冶金、文教和卫生等行业，特别是在数控机床上获得越来越广泛的运用。
本文主要介绍步进电机的基本原理。分成四个部分，第一部分是步进电机的基本工作原理；第二部分是步进电机的运行特性，其中包括启动特性，制动特性和运行特性；第三部分是步进电机的基本运用；第四部分是步进电机控制的精度分析和影响精度的主要参数。
目 录
摘要 ......................................................................................................................I 前言 .................................................................................................................... II 1基本工作原理
1.1单三拍运行方式...................................................................................... 1
1.2三相单、双六拍运行方式...................................................................... 2
1.3三相双三拍运行方式.............................................................................. 3
2步进电机的运行特性
2.1静态运行特性.......................................................................................... 5
2.2步进运行特性.......................................................................................... 6
2.3连续运转特性.......................................................................................... 8
3步进电机的运用
3.1步进电机的类型...................................................................................... 9
3.2运用领域................................................................................................ 10
3.3步进电机的特点.................................................................................... 10
3.4步进电机的驱动.................................................................................... 11
3.5步进电机的控制.................................................................................... 12
4精度分析 ...................................................................................................... 13 5结束语 ........................................................................................................... 14 参考文献.......................................................................................................... 14
1基本工作原理
步进电机和一般旋转电动机一样，分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，由环形分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁；转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构，转子本身没有励磁绕组的叫做“反应式步进电动机”，用永久磁铁做转子的叫做“永磁性步进电动机”。步进电机的结构形式虽然很多，但工作原理基本相同，下面组要是以三相反应式步进电动机为例说明。
1.1单三拍运行方式
当A相控制绕组通电，而B相和C相不通电时，步进电动机的气隙磁场与A相绕组轴线重合，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电机转子受到一个反应转矩，在步进电机中称之为静转矩。在此转矩的作用下，使转子的齿1和齿3旋转到与A相绕组轴线相同的位置上，如图1（a）所示，此时整个磁路的磁阻最小，此时转子只受到径向力的作用而反应转矩为零。
如果B相通电，A相和C相断电，那转子受反应转矩而转动，使转子齿2齿4与定子极B、Y对齐，如图1（b）所示，此时，转子在空间上顺时针转过的空间角q为30°，即前进了一步，转过这个角叫做步距角，同样的，如果C相通电，A相和B相断电，转子又顺时针转动一个步距角，使转子的齿1和齿3与定子极C、Z对齐，如图1（c）所示。
图1 三相反应式步进电动机的工作原理图
如此按A-B-C-A顺序不断地接通和断开控制绕组，电机便按一定的方向一
步一步地转动，若按A-C-B-A顺序通电，则电机就反向一步一步转动。
在步进电机中，控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一拍转子就转过一个步距角，上述的运行方式每次只有一个绕组单独通电，控制绕组每换接三次构成一个循环，故这种方式称为三相单三拍，其原理图如图2所示。
图2 三相单三拍式运行方式
采用单三拍运行方式时，在绕组断、通电的间隙，转子有可能失去自锁能力，出现失步现象。
另外，在转子频繁起动、 加速、 减速的步进过程中，由于受惯性的影响，转子在平衡位置附近有可能出现振荡现象。
所以，三相步进电动机单三拍运行方式容易出现失步和振荡，常采用三相双三拍运行方式。
1.2三相单、双六拍运行方式
若按A-AB-B-BC-C-CA-A顺序通电，每次循环需换接6次，故称为三相六拍，因单相通电和两相通电轮流进行，故又称为三相单、双六拍。
图3 步进电机的三相单、双六拍运行方式
三相单、双六拍运行时步距角与三相单三拍不一样。当A相通电时，转子
齿1、3和定子磁极A、A’对齐，与三相单三拍一样，如图3（a）所示。
当控制绕组A相和B相同时通电时，转子齿2、4受到反应转矩使转子逆时针方向转动，转子逆时针转动后，转子齿1、3与定子磁极A、A’轴线不再重合，从而转子齿1、3也受到一个顺时针的反应转矩，当这两个方向相反的转矩大小相等时，电机转子停止转动，如图3（b）所示。
当A相控制绕组断电而只由B相控制绕组通电时，转子又转过一个角度使转子齿2、4和定子磁极B、B’对齐，如图3（c）所示。
即三相六拍运行方式两拍转过的角度刚好三相单三拍运行方式一拍转过的角度一样，也就是说三相六拍运行方式的步距角是三相单三拍的一半，即为15o。
接下来的通电顺序为BC-C-CA-A，运行原理与步距角与前半段A-AB-B一样，即通电方式每变换一次，转子继续按逆时针转过一个步距角15°。
如果改变通电顺序，按A-AC-C-CB-B-BA-A顺序通电，则步进电机顺时针一步一步转动，步距角也是15°。
1.3三相双三拍运行方式
按AB-BC-CA-AB 顺序通电，每次均有两个控制绕组通电，故称为三相双三拍。按三相双三拍方式运行时，其步矩角与三相单三拍一样，都是30o。
图4步进电机的三相双三拍式运行方式
由上面的分析可知，同一台步进电机，其通电方式不同，步距角可能不一样，采用单、双拍通电方式，其步矩角是单拍或双拍的一半；采用双极通电方式，其稳定性比单极要好。
对步进电机每输入一个脉冲，输出轴就转过一个角度，其角位移量与输入脉冲数成正比，这是角度控制。也可以输入连续脉冲，对各相绕组不断地规定轮流
导通，使步进电机连续旋转，从而实现速度控制。当通电脉冲的频率为f时，转子每经过NpZr，个脉冲旋转一周，所以步进电动机每分钟的转速为 n=60
f
NpZr
可知转速与步数Np，和转子齿数Zr，成反比，与频率f成正比。在齿数和步数一定的情况下，改变脉冲的频率可以改变电机的转速。
对于上述的步进电动机，其步距角都太大，不能满足控制精度的要求。为了减小步距角，可以将定、转子加工成多齿结构， 如图5所示。
图5步进电动机的多齿结构
设脉冲电源的频率为f，转子齿数为Z，转子转过一个齿距需要的脉冲数为N，则每次转过的步距角为
αb=3600ZrN
钟的转速为 因为步进电动机转子旋转一周所需要的脉冲数为ZrN，所以步进电动机每分
60f
ZrNn=
显然步进电动机的转速正比于脉冲电源的频率。
2步进电机的运行特性
步进电机的运行特性主要从静态特性、步进运行和连续运行三个方面来考察。静态运行特性，当保持步进电动机为某一通电状态时测量转子在不同的角度位置所受到的电磁转矩，称为步进电动机的矩角特性；步进运行特性，是指信号脉冲的频率足够低，待到转子的前一步运动完全结束后，后续脉冲才继续到来；
连续运行特性，电动机转子总是在本拍达到平衡位置之前，就已经切换到下一拍运行。
2.1静态运行特性
步进电动机不改变通电情况的运行状态称为静态运行。电机定子齿与转子齿中心线之间的夹角θ叫做失调角，用电角度表示。步进电动机静态运行时转子受到的反应转矩T叫做静转矩，通常以使θ增加的方向为正。步进电机的静转矩T与失调角之间的关系T=f(θ)叫做矩角特性。
当步进电机的控制绕组通电状态变化一个循环，转子正好转过一齿，故转子一个齿对应电角度为2π，在步进电机某一相控制绕组通电时，如果该相磁极下的定子齿与转子齿对齐，那么失调角θ=0，静转矩T=0，如图6（a）所示。
如果定子齿与转子齿未对齐，即0
如果为空载，那么反应转矩作用的结果是使转子齿与定子齿完全对齐；如果某相控制绕组通电时转子齿与定子齿刚好错开，即θ= π ，转子齿左右两个方向所受的磁拉力相等，步进电机所产生的转矩为0，如图6（c）所示。
步进电机的静转矩T随失调角θ呈周期性变化，变化的周期为转子的齿距，也就是2π电角度。
图6 步进电动机的转矩和转角
步进电机在静转矩的作用，转子必然有一个稳定平衡位置，如果步进电机为空载即T=0，那么转子在失调角θ=0处稳定，即在通电相，定子齿与转子齿对齐的位置稳定。在静态运行情况下，如有外力使转子齿偏离定子齿，0
则在外力消除后，转子在静转矩的作用下仍能回到原来的稳定平衡位置。
当θ=±π时，转子齿左右两边所受的磁拉力相等而相互抵消，静转矩T=0，但只要转子向左或向右稍有一点偏离，转子所受的左右两个方向的磁拉力不再相等而失去平衡，故θ=±π 是不稳定平衡点。
在两个不稳定平衡点之间的区域构成静稳定区，即-π
图7 步进电动机的矩角特性
2.2步进运行特性
当接入控制绕组的脉冲频率较低，电机转子完成一步之后，下一个脉冲才到来，电机呈现出一转一停的状态，故称之为步进运行状态。
当负载TL=0(即空载）时步进电动机的运行状态如图 8所示，通电 顺序为
A-B-C-A，当A相通电时，在静转矩的作用下转子稳定在A相的稳定平衡点a，显然失调角θ=0，静转矩T=0
图8 步进电动机空载运行状态
同理，当C相通电时，又由b转到c1点，然后停在曲线C的稳定平衡点c处，
接下来A相通电，又由c转到a1'并停在a'处，一个循环过程即为
a-b1-b-c1-c-a1'-a'。A相通电时，-π
转到B相绕组通电时，新的稳定平衡点为b，对应于它的静稳定区为
-π+θb
区域内，就能趋向新的稳定平衡点b，所以区域（-π+θb，π+θb）称为动稳定
区，显而易见，相数增加或极数增加，步距角愈小，动稳定区愈接近静稳定区,即静、动稳定区重叠愈多，步进电机的稳定性愈好。
当步进电机带上负载运行时情况有所不同。带上负载TL后，转子每走一步不
再停留在稳定平衡点，而是停留在静转矩T等于负载转矩的点上，如图9中a1、b1、c1、a1'处，T=TL，转子停止不动。
图9 步进电动机负载运行状态
具体分析如下：当A相通电，转子转到a1时电机静转矩T等于负载转距，
两转矩平衡，转子停止转动，A相断电B相通电，改变通电状态的瞬间，因为惯性转子位置来不及变化，于是转到曲线B上的b2点，由于b2点的静转矩T>TL，故转子继续转到b1点，在b1点T=TL转子停止，接下来C相通电的运转情况类似。
一个循环的过程为a1-b2-b1-c2-c1-a2'-a1'。
如果负载较大，转子未转到曲线A、B的交点就有T=TL，转子停转，当A
相断电B相通电，转到曲线B后T
电机能够带负载作步进运行的最大值TLmax即是两相矩角曲线交点处的电机静转
矩。若增加相数或拍数，那么静动稳定区重叠增加，两相曲线交点升高，最大电机静转矩增加。
由上分析可知步进运行特性，是指信号脉冲的频率足够低，待到转子的前一步运动完全结束后,后续脉冲才继续到来。
2.3连续运转特性
当脉冲频率较高时，电机转子未停止而下一个脉冲已经到来，步进电动机已经不是一步一步地转动，而是呈连续运转状态。
脉冲频率升高，电机转速增加，步进电动机所能带动的负载转矩将减小。主要是因为频率升高时，脉冲间隔时间小，由于定子绕组电感有延缓电流变化的作用，控制绕组的电流来不及上升到稳态值。频率越高，电流上升到达的数值也就越小，因而电机的电磁转矩也越小。另外，随着频率的提高，步进电动机铁芯中的涡流增加很快，也使电机的输出转矩下降。总之步进电机的输出转矩随着脉冲频率的升高而减小，步进电机的平均转矩与驱动电源脉冲频率的关系叫做矩频特性，如图10所示。
图10 步进电机的运行矩频特性
由于电动机的转子总是在本拍达到平衡位置之前，就已经切换到下一拍运行，因此必须检查切换瞬间新的工作点上的电磁转矩是否足以带动负载继续向前旋转。
3步进电机的运用
随着微电子技术、电力电子技术和计算机技术的发展，数控系统的采用，及大地促进了电动机的发展，使步进电机在机械、电子、纺织、化工、石油、冶金、文教和卫生等行业。步进电机的运用所包括的内容较为广泛，本文就从步进电机的类型、步进电机的运用领域、步进电机的特点、步进电机的驱动和步进电机的控制进行阐述。
3.1步进电机的类型
可变磁阻式（VR型），转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。其步进角通常为15°。
永久磁铁式（PM型），转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。依转子材质区分，其步进角有45°、90°及7.5°、11.25°、15°、18°等几种。
混和式（HB型），转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，其乃兼采可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、
步进角度小。
图11 各种步进电机
3.2运用领域
步进电机主要用于一些有定位要求的场合。例如：线切割的工作台拖动，植毛机工作台（毛孔定位），包装机（定长度）。基本上涉及到定位的场合都用得到。
广泛应用于ATM机、喷绘机、刻字机、写真机、喷涂设备、医疗仪器及设备、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合。
步进电机在电脑绣花机等纺织机械设备中有着广泛的应用，这类步进电机的特点是保持转矩不高，频繁启动反应速度快、运转噪音低、运行平稳、控制性能好、整机成本低。目前用于电脑绣花机的步进电机多数为五相混合式步进电机，目的是通过采用高相数的步进电机来减小步矩角和提高控制精度，但是采用该种方式获得的性能上的提高是有限的．而且成本也相对较高。采用细分驱动技术可以大大改善步进电机的运行品质，减少转矩波动，抑制振荡，降低噪音，提高步矩分辨率。若采用反应式步进电机，在性能明显提高的同时还能大大降低产品的成本。
3.3步进电机的特点
步进电机的运用主要是根据其特点来决定的，所以将步进电机的特点放在这一节中来阐述。它的主要特点主要有以下几个部分
高精度的定位，步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。
以5相步进电机为例，其定位基本单位（分辨率）为0.72°（全步级）/0.36°（半步级），是非常小的；停止定位精度误差皆在±3分（±0.05°）以内，且无累计误差，故可达到高精度的定位控制。（步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度）
位置及速度控制，步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数做固定角度的回转进而得到灵活的角度控制（位置控制），并可得到与该脉冲信号周波数（频率）成比例的回转速度。
具定位保持力，步进电机在停止状态下（无脉波信号输入时），仍具有激磁保持力，故即使不依靠机械式的剎车，也能做到停止位置的保持。
动作灵敏， 步进电机因为加速性能优越,所以可做到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作。
开回路控制、不必依赖传感器定位，步进电机的控制系统构成简单，不需要速度感应器（ENCODER、转速发电机）及位置传感器（SENSOR），就能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。
中低速时具备高转矩，步进电机在中低速时具有较大的转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。
高信赖性，使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。
小型、高功率，步进电机体积小、扭力大，尽管于狭窄的空间内，仍可顺利做安装，并提供高转矩输出。
3.4步进电机的驱动
步进电机在单单仅给予电压时，电机是不会动作的，必须透过脉波产生器提供位置（脉波数）、速度的脉波信号指令，以及驱动器驱动电流流过电机内部线圈、依顺序切换激磁相序的方式才能够让电机运转。所以欲使步进电机动作的必要系统组成有，脉冲产生器：给予角度（位置移动量）、动作速度及运转方向之脉冲信号的电机驱动指令；步进驱动器：依控制器所投入的脉冲信号指令，提供电流来驱动步进电机动作；步进电机：提供转矩动力输出来带动负载。
所以步进电机系统构成简单，不需要速度感应器（ENCODER、转速发电机）、
位置传感器（SENSOR），即能依照脉冲产生器所输入的脉冲来做到速度及位置的控制。
3.5步进电机的控制
步进电机的控制主要分为速度控制和位置控制，下面将就这两个方面对步进电机的控制进行阐述。
3.51速度控制
步进电机的运转速度会与输入的脉冲速度成等比例的关系，所以在脉冲的速度愈快时，步进电机的转速也会跟着加快；脉波速度愈慢时，电机的转速自然也跟着变慢。
电机的运转速度（RPM）与脉冲速度（PPS，又称Hz）间的关系式如下： 电机的运转速度（RPM）＝ 脉冲速度（PPS或 Hz） × 60 ÷ 步进电机分割数/圈
说明：
1.RPM为一般电机的速度单位，即 rev / min，为每分钟电机所转的圈数；PPS为步进、伺服电机的速度单位，即pulse per second，为每秒所送出的脉冲数。
2.由于RPM与PPS的单位不同，所以于转换的过程中要先将PPS的秒钟乘以60变为分钟 。
3.步进电机分割数/圈，又代表要让电机转一圈所必须送出的脉冲数。
4.上述公式拆解后之单位表示为rev/min = pulse/sec ×60 ×1/分割数
实例：五相半步级角0.36°时（即1000分割/圈），（1）电机的运转速度600RPM时，即相当于脉冲速度10,000PPS；（2）脉冲速度3,000PPS，即相当于电机的运转速度180RPM。
3.52位置控制
步进电机不需要位置传感器（SENSOR），就可依照输入的脉冲数决定移动量，并将负载顺利、正确的送达指定位置点上。而移动量的大小，是依照电机分辨率的大小与输入的脉冲数来决定。脉冲数（PULSE）与移动量间的关系式如下：
位置移动量（ °）＝ 步进电机分辨率（ °）× 输入脉冲数
实例：二相全步级角1.8°时，当输入1000个脉冲数（即1000PULSE），此
时之移动量会是1800°，刚好为5圈。
4精度分析
如果我们谈到运动系统的精度，就会发现许多因素都对其有影响。考虑系统的精度时，工程师必须知道如何让步进电机、驱动器或控制器协调配合来获得理想的运行精度。
一个常见的误区就是把系统的精度误差全部归结为电机的问题。从步进电机的角度来说，需要满足一些公差标准，包括机械公差和电气公差。相绕组电感的不均衡是重要因素，其他一些原因包括极靴、转子的不对准，定转子间气隙的不均匀，定转子齿槽关系，以及转矩脉动等。达到并持续控制这些参数并不是非常困难的事。
我们知道，电机定子绕组的电感量正比于绕组匝数的平方，只要采用恰当的绕制工艺就能保证相电感间的一致性。很多步进电机制造商已经使用自动绕线设备来保证这种一致性。当然，转子磁性材料也应具备良好的一致性从而保证电机各相电感的一致。其他一些规格指标则与机械有关。只要制造商使用可靠的、高品质的部件及优良的工艺控制来保证定转子均匀的磨削量，就能获得满意的精度。正如Lin Engineering 公司的Belal Azim所说，由于保证了两相双极性步进电机相电感间的误差在±5%以内，因此0.9度的步进电机在使用64微步驱动模式下，定位误差可以达到±1.5弧分，包括精确性和准确性。满足了以上条件，步进电机就可以完全达到指标要求。
剩下的任务就是让驱动器/控制器告诉步进电机应该运动到哪儿和如何运动，而且不能由于驱动器自身精度不高而降低了电机的精度。一个细分驱动器通过给电机绕组提供特定的激磁电流，告诉电机需要运行多少个微步。步进电机运行在整步模式时，精度最高，因为刚好与电机的机械设计特点相吻合。此时定转子齿正好完全对齐，且绕组中流过的电流最大。随着细分数的增加，步矩角相应减小，此时越来越难以保证定位的准确了。
5结束语
因为前段时间的精密机械课程设计用到了步进电机，对步进电机有了一定的了解，所以这次结课论文选择时看到这个题目就也有课初步的想法了，再在网上查了相关的资料和相关的书籍，感觉可以完成这个题目，所以就最终选定了这个题目。
因为论文的题目和所研究的是步进电机的基本原理，所以在整个论文中所讨论的问题都不是很深入，而且应该是比较简单的，希望对读者有所帮助。但是想要对步进电机的运用有更加深入的了解和能够实际的将步进电机运用到生活中的设计当中去，还应该了解更加深入的知识和更加广泛的东西。因为基本定理中的很多东西都是经过简化的，想要实际与运用当然要联系实际。
另外经过这次结课论文的写作让我对步进电机有了更加深入和更加全面的了解。
参考文献 [3] 邓星钟等.机电传动控制[M].武汉：华中科技大学出版社，2007
[4] 王宗培 姚宏等. 步进电动机计算和设计方法的研究[M]. 南京：东南大学出
版社，1994
[5] 吕海宝等.提高步进电机步距精度的研究[J].国防科技大学学报，16卷2期，
1994
[6] http://www.testmart.cn/CN/News/NewsText/44136.html
[7] 叶水音.电机[M].北京：中国电力出版社，2002
[8] 马爱芳.电机及拖动[M].武汉：华中科技大学出版社，2009
步进电机的基本原理
摘要
本文主要研究步进电机的原理，首先分析了步进电机的工作原理，分别就步进电机的单三拍运行方式，三相单、双六拍运行方式和三相双三拍运行方式对步进电机的基本工作原理进行了讨论。然后再就步进电机的静态运行特性，步进运行特性和连续运转特性对步进电机的运行特性进行了讨论，得到不同运行条件下步进电机的运行特性。
因为步进电机的运用可以从不同的角度去考虑，所以在本文中就作者的理解和查找资料的阐述，在步进电机的运用中讨论了步进电机在运用中的类型和步进电机运用的各种领域，以及步进电机的特点、驱动方式和步进电机的控制。最后就步进电机的运用中的精度问题进行了分析，得到了影响步进电机运行精度的一些因素。
关键词：步进电机 脉冲 步距 控制
前言
步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的电执行元件。每当输入一个电脉冲时，它便转过一个角度，这个角度称为步距角 ，简称步距。脉冲一个一个地输入，电机便一步一步地转动，步进电机因此而得名。
步进电机的位移量与输入脉冲严格成比例，这就不会引起误差的积累，其转速与脉冲频率和步距角有关。控制输入数量、频率及电动机各相的接通次序，可以得到各种需要的运行特性，如：脉冲数增加，直线或角位移随之增加；脉冲频率高，则电动机旋转速度就高，反之则慢；分配脉冲的相序改变以后，电动机便逆转。从电动机绕组所加的电源型式来看，与一般的交直流电动机的也有所区别，它既不是正弦波，也不是恒定电压，而是脉冲电压，所以有时也称这种电动机为脉冲电动机。
步进电动机是受其输入信号，即是一系列的电脉冲信号控制而动作的。脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为使电动机能够输出足够的功率，经环形分配器产生的脉冲信号进行功率放大。环形分配器、功率放大器以及其他控制线路组合是步进电机的驱动电源，它对步进电机来说是不可缺少的部分。步进电机、驱动电源和控制器构成步进电机传动控制系统。
步进电机转子运行的速度主要取决于脉冲信号的频率，总位移量取决于总的脉冲信号数，故它作为伺服电机运用于控制系统时，往往可以使系统简化、工作可靠，而且不需要位移传感器就可以达到较精确的定位，获得较高的控制精度。在大多数情况下，它可以代替交直流伺服电机。近年来，微电子技术、电力电子技术和计算机技术的发展，数控系统的采用，及大地促进了电动机的发展，使步进电机在机械、电子、纺织、化工、石油、冶金、文教和卫生等行业，特别是在数控机床上获得越来越广泛的运用。
本文主要介绍步进电机的基本原理。分成四个部分，第一部分是步进电机的基本工作原理；第二部分是步进电机的运行特性，其中包括启动特性，制动特性和运行特性；第三部分是步进电机的基本运用；第四部分是步进电机控制的精度分析和影响精度的主要参数。
目 录
摘要 ......................................................................................................................I 前言 .................................................................................................................... II 1基本工作原理
1.1单三拍运行方式...................................................................................... 1
1.2三相单、双六拍运行方式...................................................................... 2
1.3三相双三拍运行方式.............................................................................. 3
2步进电机的运行特性
2.1静态运行特性.......................................................................................... 5
2.2步进运行特性.......................................................................................... 6
2.3连续运转特性.......................................................................................... 8
3步进电机的运用
3.1步进电机的类型...................................................................................... 9
3.2运用领域................................................................................................ 10
3.3步进电机的特点.................................................................................... 10
3.4步进电机的驱动.................................................................................... 11
3.5步进电机的控制.................................................................................... 12
4精度分析 ...................................................................................................... 13 5结束语 ........................................................................................................... 14 参考文献.......................................................................................................... 14
1基本工作原理
步进电机和一般旋转电动机一样，分为定子和转子两大部分。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，由环形分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁；转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构，转子本身没有励磁绕组的叫做“反应式步进电动机”，用永久磁铁做转子的叫做“永磁性步进电动机”。步进电机的结构形式虽然很多，但工作原理基本相同，下面组要是以三相反应式步进电动机为例说明。
1.1单三拍运行方式
当A相控制绕组通电，而B相和C相不通电时，步进电动机的气隙磁场与A相绕组轴线重合，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电机转子受到一个反应转矩，在步进电机中称之为静转矩。在此转矩的作用下，使转子的齿1和齿3旋转到与A相绕组轴线相同的位置上，如图1（a）所示，此时整个磁路的磁阻最小，此时转子只受到径向力的作用而反应转矩为零。
如果B相通电，A相和C相断电，那转子受反应转矩而转动，使转子齿2齿4与定子极B、Y对齐，如图1（b）所示，此时，转子在空间上顺时针转过的空间角q为30°，即前进了一步，转过这个角叫做步距角，同样的，如果C相通电，A相和B相断电，转子又顺时针转动一个步距角，使转子的齿1和齿3与定子极C、Z对齐，如图1（c）所示。
图1 三相反应式步进电动机的工作原理图
如此按A-B-C-A顺序不断地接通和断开控制绕组，电机便按一定的方向一
步一步地转动，若按A-C-B-A顺序通电，则电机就反向一步一步转动。
在步进电机中，控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍，每一拍转子就转过一个步距角，上述的运行方式每次只有一个绕组单独通电，控制绕组每换接三次构成一个循环，故这种方式称为三相单三拍，其原理图如图2所示。
图2 三相单三拍式运行方式
采用单三拍运行方式时，在绕组断、通电的间隙，转子有可能失去自锁能力，出现失步现象。
另外，在转子频繁起动、 加速、 减速的步进过程中，由于受惯性的影响，转子在平衡位置附近有可能出现振荡现象。
所以，三相步进电动机单三拍运行方式容易出现失步和振荡，常采用三相双三拍运行方式。
1.2三相单、双六拍运行方式
若按A-AB-B-BC-C-CA-A顺序通电，每次循环需换接6次，故称为三相六拍，因单相通电和两相通电轮流进行，故又称为三相单、双六拍。
图3 步进电机的三相单、双六拍运行方式
三相单、双六拍运行时步距角与三相单三拍不一样。当A相通电时，转子
齿1、3和定子磁极A、A’对齐，与三相单三拍一样，如图3（a）所示。
当控制绕组A相和B相同时通电时，转子齿2、4受到反应转矩使转子逆时针方向转动，转子逆时针转动后，转子齿1、3与定子磁极A、A’轴线不再重合，从而转子齿1、3也受到一个顺时针的反应转矩，当这两个方向相反的转矩大小相等时，电机转子停止转动，如图3（b）所示。
当A相控制绕组断电而只由B相控制绕组通电时，转子又转过一个角度使转子齿2、4和定子磁极B、B’对齐，如图3（c）所示。
即三相六拍运行方式两拍转过的角度刚好三相单三拍运行方式一拍转过的角度一样，也就是说三相六拍运行方式的步距角是三相单三拍的一半，即为15o。
接下来的通电顺序为BC-C-CA-A，运行原理与步距角与前半段A-AB-B一样，即通电方式每变换一次，转子继续按逆时针转过一个步距角15°。
如果改变通电顺序，按A-AC-C-CB-B-BA-A顺序通电，则步进电机顺时针一步一步转动，步距角也是15°。
1.3三相双三拍运行方式
按AB-BC-CA-AB 顺序通电，每次均有两个控制绕组通电，故称为三相双三拍。按三相双三拍方式运行时，其步矩角与三相单三拍一样，都是30o。
图4步进电机的三相双三拍式运行方式
由上面的分析可知，同一台步进电机，其通电方式不同，步距角可能不一样，采用单、双拍通电方式，其步矩角是单拍或双拍的一半；采用双极通电方式，其稳定性比单极要好。
对步进电机每输入一个脉冲，输出轴就转过一个角度，其角位移量与输入脉冲数成正比，这是角度控制。也可以输入连续脉冲，对各相绕组不断地规定轮流
导通，使步进电机连续旋转，从而实现速度控制。当通电脉冲的频率为f时，转子每经过NpZr，个脉冲旋转一周，所以步进电动机每分钟的转速为 n=60
f
NpZr
可知转速与步数Np，和转子齿数Zr，成反比，与频率f成正比。在齿数和步数一定的情况下，改变脉冲的频率可以改变电机的转速。
对于上述的步进电动机，其步距角都太大，不能满足控制精度的要求。为了减小步距角，可以将定、转子加工成多齿结构， 如图5所示。
图5步进电动机的多齿结构
设脉冲电源的频率为f，转子齿数为Z，转子转过一个齿距需要的脉冲数为N，则每次转过的步距角为
αb=3600ZrN
钟的转速为 因为步进电动机转子旋转一周所需要的脉冲数为ZrN，所以步进电动机每分
60f
ZrNn=
显然步进电动机的转速正比于脉冲电源的频率。
2步进电机的运行特性
步进电机的运行特性主要从静态特性、步进运行和连续运行三个方面来考察。静态运行特性，当保持步进电动机为某一通电状态时测量转子在不同的角度位置所受到的电磁转矩，称为步进电动机的矩角特性；步进运行特性，是指信号脉冲的频率足够低，待到转子的前一步运动完全结束后，后续脉冲才继续到来；
连续运行特性，电动机转子总是在本拍达到平衡位置之前，就已经切换到下一拍运行。
2.1静态运行特性
步进电动机不改变通电情况的运行状态称为静态运行。电机定子齿与转子齿中心线之间的夹角θ叫做失调角，用电角度表示。步进电动机静态运行时转子受到的反应转矩T叫做静转矩，通常以使θ增加的方向为正。步进电机的静转矩T与失调角之间的关系T=f(θ)叫做矩角特性。
当步进电机的控制绕组通电状态变化一个循环，转子正好转过一齿，故转子一个齿对应电角度为2π，在步进电机某一相控制绕组通电时，如果该相磁极下的定子齿与转子齿对齐，那么失调角θ=0，静转矩T=0，如图6（a）所示。
如果定子齿与转子齿未对齐，即0
如果为空载，那么反应转矩作用的结果是使转子齿与定子齿完全对齐；如果某相控制绕组通电时转子齿与定子齿刚好错开，即θ= π ，转子齿左右两个方向所受的磁拉力相等，步进电机所产生的转矩为0，如图6（c）所示。
步进电机的静转矩T随失调角θ呈周期性变化，变化的周期为转子的齿距，也就是2π电角度。
图6 步进电动机的转矩和转角
步进电机在静转矩的作用，转子必然有一个稳定平衡位置，如果步进电机为空载即T=0，那么转子在失调角θ=0处稳定，即在通电相，定子齿与转子齿对齐的位置稳定。在静态运行情况下，如有外力使转子齿偏离定子齿，0
则在外力消除后，转子在静转矩的作用下仍能回到原来的稳定平衡位置。
当θ=±π时，转子齿左右两边所受的磁拉力相等而相互抵消，静转矩T=0，但只要转子向左或向右稍有一点偏离，转子所受的左右两个方向的磁拉力不再相等而失去平衡，故θ=±π 是不稳定平衡点。
在两个不稳定平衡点之间的区域构成静稳定区，即-π
图7 步进电动机的矩角特性
2.2步进运行特性
当接入控制绕组的脉冲频率较低，电机转子完成一步之后，下一个脉冲才到来，电机呈现出一转一停的状态，故称之为步进运行状态。
当负载TL=0(即空载）时步进电动机的运行状态如图 8所示，通电 顺序为
A-B-C-A，当A相通电时，在静转矩的作用下转子稳定在A相的稳定平衡点a，显然失调角θ=0，静转矩T=0
图8 步进电动机空载运行状态
同理，当C相通电时，又由b转到c1点，然后停在曲线C的稳定平衡点c处，
接下来A相通电，又由c转到a1'并停在a'处，一个循环过程即为
a-b1-b-c1-c-a1'-a'。A相通电时，-π
转到B相绕组通电时，新的稳定平衡点为b，对应于它的静稳定区为
-π+θb
区域内，就能趋向新的稳定平衡点b，所以区域（-π+θb，π+θb）称为动稳定
区，显而易见，相数增加或极数增加，步距角愈小，动稳定区愈接近静稳定区,即静、动稳定区重叠愈多，步进电机的稳定性愈好。
当步进电机带上负载运行时情况有所不同。带上负载TL后，转子每走一步不
再停留在稳定平衡点，而是停留在静转矩T等于负载转矩的点上，如图9中a1、b1、c1、a1'处，T=TL，转子停止不动。
图9 步进电动机负载运行状态
具体分析如下：当A相通电，转子转到a1时电机静转矩T等于负载转距，
两转矩平衡，转子停止转动，A相断电B相通电，改变通电状态的瞬间，因为惯性转子位置来不及变化，于是转到曲线B上的b2点，由于b2点的静转矩T>TL，故转子继续转到b1点，在b1点T=TL转子停止，接下来C相通电的运转情况类似。
一个循环的过程为a1-b2-b1-c2-c1-a2'-a1'。
如果负载较大，转子未转到曲线A、B的交点就有T=TL，转子停转，当A
相断电B相通电，转到曲线B后T
电机能够带负载作步进运行的最大值TLmax即是两相矩角曲线交点处的电机静转
矩。若增加相数或拍数，那么静动稳定区重叠增加，两相曲线交点升高，最大电机静转矩增加。
由上分析可知步进运行特性，是指信号脉冲的频率足够低，待到转子的前一步运动完全结束后,后续脉冲才继续到来。
2.3连续运转特性
当脉冲频率较高时，电机转子未停止而下一个脉冲已经到来，步进电动机已经不是一步一步地转动，而是呈连续运转状态。
脉冲频率升高，电机转速增加，步进电动机所能带动的负载转矩将减小。主要是因为频率升高时，脉冲间隔时间小，由于定子绕组电感有延缓电流变化的作用，控制绕组的电流来不及上升到稳态值。频率越高，电流上升到达的数值也就越小，因而电机的电磁转矩也越小。另外，随着频率的提高，步进电动机铁芯中的涡流增加很快，也使电机的输出转矩下降。总之步进电机的输出转矩随着脉冲频率的升高而减小，步进电机的平均转矩与驱动电源脉冲频率的关系叫做矩频特性，如图10所示。
图10 步进电机的运行矩频特性
由于电动机的转子总是在本拍达到平衡位置之前，就已经切换到下一拍运行，因此必须检查切换瞬间新的工作点上的电磁转矩是否足以带动负载继续向前旋转。
3步进电机的运用
随着微电子技术、电力电子技术和计算机技术的发展，数控系统的采用，及大地促进了电动机的发展，使步进电机在机械、电子、纺织、化工、石油、冶金、文教和卫生等行业。步进电机的运用所包括的内容较为广泛，本文就从步进电机的类型、步进电机的运用领域、步进电机的特点、步进电机的驱动和步进电机的控制进行阐述。
3.1步进电机的类型
可变磁阻式（VR型），转子以软铁加工成齿状，当定子线圈不加激磁电压时，保持转矩为零，故其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。其步进角通常为15°。
永久磁铁式（PM型），转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。依转子材质区分，其步进角有45°、90°及7.5°、11.25°、15°、18°等几种。
混和式（HB型），转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，其乃兼采可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、
步进角度小。
图11 各种步进电机
3.2运用领域
步进电机主要用于一些有定位要求的场合。例如：线切割的工作台拖动，植毛机工作台（毛孔定位），包装机（定长度）。基本上涉及到定位的场合都用得到。
广泛应用于ATM机、喷绘机、刻字机、写真机、喷涂设备、医疗仪器及设备、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合。
步进电机在电脑绣花机等纺织机械设备中有着广泛的应用，这类步进电机的特点是保持转矩不高，频繁启动反应速度快、运转噪音低、运行平稳、控制性能好、整机成本低。目前用于电脑绣花机的步进电机多数为五相混合式步进电机，目的是通过采用高相数的步进电机来减小步矩角和提高控制精度，但是采用该种方式获得的性能上的提高是有限的．而且成本也相对较高。采用细分驱动技术可以大大改善步进电机的运行品质，减少转矩波动，抑制振荡，降低噪音，提高步矩分辨率。若采用反应式步进电机，在性能明显提高的同时还能大大降低产品的成本。
3.3步进电机的特点
步进电机的运用主要是根据其特点来决定的，所以将步进电机的特点放在这一节中来阐述。它的主要特点主要有以下几个部分
高精度的定位，步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。
以5相步进电机为例，其定位基本单位（分辨率）为0.72°（全步级）/0.36°（半步级），是非常小的；停止定位精度误差皆在±3分（±0.05°）以内，且无累计误差，故可达到高精度的定位控制。（步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度）
位置及速度控制，步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数做固定角度的回转进而得到灵活的角度控制（位置控制），并可得到与该脉冲信号周波数（频率）成比例的回转速度。
具定位保持力，步进电机在停止状态下（无脉波信号输入时），仍具有激磁保持力，故即使不依靠机械式的剎车，也能做到停止位置的保持。
动作灵敏， 步进电机因为加速性能优越,所以可做到瞬时起动、停止、正反转之快速、频繁的定位动作。
开回路控制、不必依赖传感器定位，步进电机的控制系统构成简单，不需要速度感应器（ENCODER、转速发电机）及位置传感器（SENSOR），就能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。
中低速时具备高转矩，步进电机在中低速时具有较大的转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。
高信赖性，使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。
小型、高功率，步进电机体积小、扭力大，尽管于狭窄的空间内，仍可顺利做安装，并提供高转矩输出。
3.4步进电机的驱动
步进电机在单单仅给予电压时，电机是不会动作的，必须透过脉波产生器提供位置（脉波数）、速度的脉波信号指令，以及驱动器驱动电流流过电机内部线圈、依顺序切换激磁相序的方式才能够让电机运转。所以欲使步进电机动作的必要系统组成有，脉冲产生器：给予角度（位置移动量）、动作速度及运转方向之脉冲信号的电机驱动指令；步进驱动器：依控制器所投入的脉冲信号指令，提供电流来驱动步进电机动作；步进电机：提供转矩动力输出来带动负载。
所以步进电机系统构成简单，不需要速度感应器（ENCODER、转速发电机）、
位置传感器（SENSOR），即能依照脉冲产生器所输入的脉冲来做到速度及位置的控制。
3.5步进电机的控制
步进电机的控制主要分为速度控制和位置控制，下面将就这两个方面对步进电机的控制进行阐述。
3.51速度控制
步进电机的运转速度会与输入的脉冲速度成等比例的关系，所以在脉冲的速度愈快时，步进电机的转速也会跟着加快；脉波速度愈慢时，电机的转速自然也跟着变慢。
电机的运转速度（RPM）与脉冲速度（PPS，又称Hz）间的关系式如下： 电机的运转速度（RPM）＝ 脉冲速度（PPS或 Hz） × 60 ÷ 步进电机分割数/圈
说明：
1.RPM为一般电机的速度单位，即 rev / min，为每分钟电机所转的圈数；PPS为步进、伺服电机的速度单位，即pulse per second，为每秒所送出的脉冲数。
2.由于RPM与PPS的单位不同，所以于转换的过程中要先将PPS的秒钟乘以60变为分钟 。
3.步进电机分割数/圈，又代表要让电机转一圈所必须送出的脉冲数。
4.上述公式拆解后之单位表示为rev/min = pulse/sec ×60 ×1/分割数
实例：五相半步级角0.36°时（即1000分割/圈），（1）电机的运转速度600RPM时，即相当于脉冲速度10,000PPS；（2）脉冲速度3,000PPS，即相当于电机的运转速度180RPM。
3.52位置控制
步进电机不需要位置传感器（SENSOR），就可依照输入的脉冲数决定移动量，并将负载顺利、正确的送达指定位置点上。而移动量的大小，是依照电机分辨率的大小与输入的脉冲数来决定。脉冲数（PULSE）与移动量间的关系式如下：
位置移动量（ °）＝ 步进电机分辨率（ °）× 输入脉冲数
实例：二相全步级角1.8°时，当输入1000个脉冲数（即1000PULSE），此
时之移动量会是1800°，刚好为5圈。
4精度分析
如果我们谈到运动系统的精度，就会发现许多因素都对其有影响。考虑系统的精度时，工程师必须知道如何让步进电机、驱动器或控制器协调配合来获得理想的运行精度。
一个常见的误区就是把系统的精度误差全部归结为电机的问题。从步进电机的角度来说，需要满足一些公差标准，包括机械公差和电气公差。相绕组电感的不均衡是重要因素，其他一些原因包括极靴、转子的不对准，定转子间气隙的不均匀，定转子齿槽关系，以及转矩脉动等。达到并持续控制这些参数并不是非常困难的事。
我们知道，电机定子绕组的电感量正比于绕组匝数的平方，只要采用恰当的绕制工艺就能保证相电感间的一致性。很多步进电机制造商已经使用自动绕线设备来保证这种一致性。当然，转子磁性材料也应具备良好的一致性从而保证电机各相电感的一致。其他一些规格指标则与机械有关。只要制造商使用可靠的、高品质的部件及优良的工艺控制来保证定转子均匀的磨削量，就能获得满意的精度。正如Lin Engineering 公司的Belal Azim所说，由于保证了两相双极性步进电机相电感间的误差在±5%以内，因此0.9度的步进电机在使用64微步驱动模式下，定位误差可以达到±1.5弧分，包括精确性和准确性。满足了以上条件，步进电机就可以完全达到指标要求。
剩下的任务就是让驱动器/控制器告诉步进电机应该运动到哪儿和如何运动，而且不能由于驱动器自身精度不高而降低了电机的精度。一个细分驱动器通过给电机绕组提供特定的激磁电流，告诉电机需要运行多少个微步。步进电机运行在整步模式时，精度最高，因为刚好与电机的机械设计特点相吻合。此时定转子齿正好完全对齐，且绕组中流过的电流最大。随着细分数的增加，步矩角相应减小，此时越来越难以保证定位的准确了。
5结束语
因为前段时间的精密机械课程设计用到了步进电机，对步进电机有了一定的了解，所以这次结课论文选择时看到这个题目就也有课初步的想法了，再在网上查了相关的资料和相关的书籍，感觉可以完成这个题目，所以就最终选定了这个题目。
因为论文的题目和所研究的是步进电机的基本原理，所以在整个论文中所讨论的问题都不是很深入，而且应该是比较简单的，希望对读者有所帮助。但是想要对步进电机的运用有更加深入的了解和能够实际的将步进电机运用到生活中的设计当中去，还应该了解更加深入的知识和更加广泛的东西。因为基本定理中的很多东西都是经过简化的，想要实际与运用当然要联系实际。
另外经过这次结课论文的写作让我对步进电机有了更加深入和更加全面的了解。
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