步進電動機控制系統詳解

馬百宏

（濟南二機床集團有限公司，山東 濟南 250022）

步進電動機最初的模型記載于19 世紀30 年代—19 世紀60 年代間。在20 世紀60年代末，永磁材料發展迅速，許多類型的步進電動機開始產生，而半導體技術的產生帶動了步進電動機廣泛的使用。我國步進電動機的設計開始于20 世紀50 年代末，在50 年代末到60 年代末，主要是一些少量的大學和國家科研機構對簡單的產品設備的鉆研和設計。我們在文革期間全國開始大規模制造和使用步進電動機，比如：江蘇，浙江，北京，天津，哈爾濱等地區都開始大量的制造，并且投入使用到生產生活中。隨著幾十年不斷的突破，不斷的研究設計，步進電動機才日漸成熟起來，逐漸地作為一種基本類型的電動機更多的投入到生產生活中[1]。

步進電動機控制系統由控制電路、驅動電路、步進電動機和直流電源組成。在步進電動機控制系統中，單片機作為控制機構，步進電動機作為執行機構，兩者各司其職，相互約束又相互緊密聯系。在微電子技術日益成熟的影響下，為了提高步進電動機的需求在工作生活中的使用。雖然步進電動機應用極為普遍，但步進電動機并不能像普通的直流電動機，交流電動機一樣在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統才能使用。因此，正確使用好步進電動機是不容易的，它涉及到很多專業知識的學習和研究，比如機械，電氣，單片機等專業方面，這都需要深入的研究。

單片機類似于一個微型的計算機，也稱為單片微控制器。廣義的講：一塊芯片構成的微型計算機，優點是結構簡單，體積小，運行穩定，重量輕，價格低廉等，所以為單片機的學習，使用和發展提供了有利的基礎，這也廣泛使用于大批量低成本產品的設計與制造。

步進電動機是一種可由電脈沖信號控制運動的特殊同步電動機，也是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電，多相時序控制電流，用這種電流作為步進電動機供電，步進電動機才能正常工作。其中驅動器就是專門為步進電動機分時供電的，多相時序控制器。步進電動機內部由定子與轉子兩部分組成。其中定子上有繞組，步進電機定子繞組的通電狀態每改變一次,它的轉子便轉過一定的角度。電動機的轉子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產生一矢量磁場。該磁場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向相一致。當定子的矢量磁場旋轉一個角度，轉子也隨著該磁場轉一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉動一個角度前進一步。它輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數成正比，其轉速n 或線速度v 與脈沖頻率f 成正比，在負載能力范圍內，這些關系不因電源電壓、負載大小以及環境條件的波動而變化。改變繞組通電的順序，電動機就會反轉。所以可用控制脈沖數量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電動機的轉動，通過控制頻率的脈沖信號，它可以準確地控制電動機的速度[2]。

對于步進電動機的控制系統，人們總希望它能用最短的時間達到最終的控制效果。所以需要步進電動機的轉速盡量地快而且穩，但是速度也不能太快，否則可能會產生失步。此外，日常的步進電動機空載運行時最高的起動頻率都應該控制在一定范圍內。當步進電動機帶負載啟動運行時，它的空載運行時的最高起動頻率要高于負載時的起動頻率。當步進電動機起動時，步進電動機的運行頻率比起動頻率大得多。因此，一個靜態的步進電機不能瞬時穩定到一個更高的工作頻率，一開始它必須有一個加速過程。步進電動機系統控制核心用單片機來控制電動機的自動加減速，以避免電機轉動時產生失步。因為單片機控制脈沖的頻率增大，步進電動機的轉速也增大，所以對步進電動機加速或者減速，本質上是對單片機控制脈沖頻率大小的調節。電脈沖控制下的步進電動機，只要在允許的轉速內，就能夠穩定啟動、正反轉切換、停轉以及加減速。只要控制步進電動機步距小，位移量小，步距準確度高，不失去步驟或多個步驟就能夠提高其精度。

步進電動機的控制和其他控制電機之間有很大的區別，步進電動機都嚴格控制電脈沖的信號轉化為相應的角位移或電動機的線性位移，它最顯著的優點是在規定的頻率內，通過脈沖頻率大小的變化，以實現對電機速度，快速啟動和快速停止，正反轉控制等。步進電動機的控制由單片機來完成，利用單片機控制性能可以控制步進電動機的驅動電路。

步進電動機的驅動系統；步進電動機不能在AC-DC 電源間直接工作，它必須使用特殊的設備步進電動機驅動器。步進電動機驅動系統的性能，除與電機本身的性能有關以外，也在很大程度上由驅動器的優劣決定。步進電動機控制器發出步進脈沖和方向信號，每發一個脈沖，步進電機驅動器驅動其轉子旋轉一個步距角，即向前步進一步。步進電動機轉速的高低、升速或降速、啟動或停止都由脈沖的有無或頻率的高低而決定。控制器的方向信號決定步進電動機的順時針旋轉還是逆時針旋轉。步進電動機驅動器一旦接收到來自控制器的方向信號和步進脈沖，控制電路就按預先設定的電機通電方式產生步進電動機各相勵磁繞組導通或截止信號。由于控制電路輸出的信號功率很低，不能提供步進電動機所需的輸出功率，必須進行功率的放大，這些就是步進電動機驅動器的功率驅動部分[4]。

隨著電子技術不斷的完善，日益的成熟，為步進電動機在社會上的應用范圍提供了條件。目前，步進電動機的應用已經十分的普遍，比如在某些數控機床加工、機器人制造、自動記錄儀表都有應用。步進電動機工作的場合一般都要求比較高，工作的難度比較大，它所加工的部件精度要求也比較高。