PART１.
01
什么是步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)是一種直接將電脈沖轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的機(jī)電裝置， 通過控制施加在電機(jī)線圈上的電脈沖順序、 頻率和數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、速度和旋轉(zhuǎn)角度的控制。在不借助帶位置感應(yīng)的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的情況下、使用步進(jìn)電機(jī)與其配套的驅(qū)動(dòng)器共同組成的控制簡便、低成本的開環(huán)控制系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)精確的位置和速度控制。
02
基本結(jié)構(gòu)和工作原理
基本結(jié)構(gòu)：
工作原理：
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)外來的控制脈沖和方向信號(hào)，通過其內(nèi)部的邏輯電路，控制步進(jìn)電機(jī)的繞組以一定的時(shí)序正向或反向通電，使得電機(jī)正向/反向旋轉(zhuǎn)或者鎖定。
以1.8度兩相步進(jìn)電機(jī)為例：當(dāng)兩相繞組都通電勵(lì)磁時(shí)，電機(jī)輸出軸將靜止并鎖定位置。在額定電流下使電機(jī)保持鎖定的最大力矩為保持力矩。如果其中一相繞組的電流發(fā)生了變向，則電機(jī)將順著一個(gè)既定方向旋轉(zhuǎn)一步（1.8度）。
同理，如果是另外一項(xiàng)繞組的電流發(fā)生了變向，則電機(jī)將順著與前者相反的方向旋轉(zhuǎn)一步（1.8度）。當(dāng)通過線圈繞組的電流按順序依次變向勵(lì)磁時(shí)，則電機(jī)會(huì)順著既定的方向?qū)崿F(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)，運(yùn)行精度非常高。對(duì)于1.8度兩相步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需200步。
兩相步進(jìn)電機(jī)有兩種繞組形式：雙極性和單極性。雙極性電機(jī)每相上只有一個(gè)繞組線圈，電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)電流要在同一線圈內(nèi)依次變向勵(lì)磁，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上需要八個(gè)電子開關(guān)進(jìn)行順序切換。
單極性電機(jī)每相上有兩個(gè)極性相反的繞組線圈，電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)只要交替對(duì)同一相上的兩個(gè)繞組線圈進(jìn)行通電勵(lì)磁。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上只需要四個(gè)電子開關(guān)。在雙極性驅(qū)動(dòng)模式下，因?yàn)槊肯嗟睦@組線圈為100%勵(lì)磁，所以雙極性驅(qū)動(dòng)模式下電機(jī)的輸出力矩比單極性驅(qū)動(dòng)模式下提高了約40%。
PART2.
01
負(fù)載
02
速度-力矩曲線
速度-力矩曲線是步進(jìn)電機(jī)輸出特性的重要表現(xiàn)形式。
A.工作頻率點(diǎn)
電機(jī)在某一點(diǎn)的轉(zhuǎn)速值。
n=q*Hz/（360*D）
n：轉(zhuǎn)/秒
Hz：頻率值
D：驅(qū)動(dòng)電路細(xì)分值
q：步距角
例如： 距角1.8°的步進(jìn)電機(jī)，在1/2細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式下（即每步 0.9°）， 工作頻率 500Hz時(shí)的轉(zhuǎn)速為1.25r/s。
B.自啟動(dòng)區(qū)域
步進(jìn)電機(jī)可以直接啟動(dòng)和停止的區(qū)域。
C.連續(xù)運(yùn)行區(qū)域
在該區(qū)域內(nèi)，電機(jī)無法直接啟動(dòng)或停止。 電機(jī)在該區(qū)域內(nèi)運(yùn)行必須先經(jīng)過自啟動(dòng)區(qū)域，然后經(jīng)過加速達(dá)到該工作區(qū)域運(yùn)行。 同理，電機(jī)在該區(qū)域內(nèi)也無法直接制動(dòng)，否則容易造成電機(jī)失步，必須先經(jīng)減速到達(dá)自啟動(dòng)區(qū)域內(nèi)再制動(dòng)。
D.最高啟動(dòng)頻率
電機(jī)空載狀態(tài)下，保證電機(jī)不丟步運(yùn)行的最大脈沖頻率。
E.最高運(yùn)行頻率
空載情況下，已勵(lì)磁電機(jī)運(yùn)行而不丟步的最高脈沖頻率。
F.啟動(dòng)力矩/牽入力矩
滿足步進(jìn)馬達(dá)在一定脈沖頻率下啟動(dòng)并開始運(yùn)行，不失步的最大負(fù)載力矩。
G.運(yùn)行力矩/牽出力矩
滿足步進(jìn)馬達(dá)在一定脈沖頻率下穩(wěn)定運(yùn)行，不失步的最大負(fù)載力矩。
03
加速/減速運(yùn)動(dòng)控制
當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率點(diǎn)在速度-力矩曲線的連續(xù)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)時(shí)， 如何縮短電機(jī)啟動(dòng)或停止時(shí)的加速或減速時(shí)間，使電機(jī)更長時(shí)間地運(yùn)行在最佳速度狀態(tài)，從而提高電機(jī)的有效運(yùn)行時(shí)間是非常關(guān)鍵的。
如下圖所示，步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩特性曲線，低速運(yùn)行時(shí)曲線為水平直線狀態(tài)；高速運(yùn)行時(shí)，由于受到電感的影響，曲線發(fā)生了指數(shù)下降。
備注：
J表示電機(jī)轉(zhuǎn)子加負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
q表示每一步的轉(zhuǎn)動(dòng)角度， 在整部驅(qū)動(dòng)時(shí)就是指電機(jī)的步距角。
在減速運(yùn)行時(shí)， 只需將上述的加速脈沖頻率反轉(zhuǎn)過來計(jì)算就可以了。
04
振動(dòng)與噪音
一般來講， 步進(jìn)電機(jī)在空載運(yùn)行情況下， 當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行頻率接近或等于電機(jī)轉(zhuǎn)子的固有頻率時(shí)會(huì)發(fā)生共振，嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生失步現(xiàn)象。
針對(duì)共振的幾種解決方案：
A.避開振動(dòng)區(qū)：使電機(jī)的工作頻率不落在振動(dòng)范圍內(nèi)。
B.采用細(xì)分的驅(qū)動(dòng)模式：使用微步驅(qū)動(dòng)模式，將原來的一步細(xì)分為多步運(yùn)行， 提高電機(jī)的每步分辨率， 從而降低振動(dòng)。這可以通過調(diào)整電機(jī)的相電流比來實(shí)現(xiàn)的。微步并不會(huì)增加步距角精確度， 卻能使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)， 噪音更小。一般電機(jī)在半步運(yùn)行時(shí)， 力矩會(huì)比整步時(shí)小15%， 而采用正弦波電流控制時(shí)， 力矩將減小30%。
PART３.
