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步进电机的基础知识
步进电机是一种将电脉冲信号转换成离散力学运动的机电设备。当施加适当的电脉冲指令时，步进电机旋转的轴或主轴将会以不连续的步进增量旋转。电机转动与施加的脉冲之间有几个方面的直接关系。所施加的脉冲序列决定了电机轴的旋转方向；电机的输出轴旋转的速度决定于输入脉冲的频率；电机旋转的角度决定于输入脉冲的数量。
步进电机的优点和缺点
优点：1.电机的旋转角度与输入脉冲成正比。
2.当绕组通电时，电机转矩处于完全静止状态。
3.因为良好的步进电机的准确度为3％-5％，而且不会将误差从一个步骤累计到下一步，所以步进电机能够精确定位和重复性地运动。
4.对启动/停止/换向有极好的反应。
5.因为没有接触到电机上的电刷，所以它非常可靠。电机的使用寿命仅仅依赖于轴承的寿命。
6.电机对数字输入脉冲的响应提供了开环控制，这样使电机能够更简单和低成本的控制。
7.负载直接耦合到轴，可以实现非常低速的同步旋转。
8.当速度与输入脉冲的频率成正比，可以实现更大范围的旋转速度。
缺点：1.如果不恰当地控制可能会产生共振。
2.如果速度太快则不易操作。
开环控制：
步进电机的一个最显着的优点是它能够在开环系统中被精确地控制。开环控制是指不需要反馈有关位置的信息。这种类型的控制可以消除昂贵的传感和反馈装置的需要，例如光学编码器。只需输入步骤脉冲跟踪就能知晓您此刻所处的位置。
步进电机的类型
步进电机有三种类型，分别是：
1.可变磁阻型
2.永久磁场型
3.混合型
可变磁阻型（VR）
这种类型的步进电机已经存在了很长一段时间。从结构上来看，它可能是最容易理解的。图1显示出了一个典型的V.R.步进电机的截面。这种类型的电机包括一个软铁多齿的转子和一个绕定子。当定子绕组通过直流电流通电，电机磁极则被磁化。当转子齿被吸引到带电的定子极时，电机发生旋转。
永久磁场型（PM）
永久磁场型的步进电机通常被称为“锡罐”电机，是一种低成本、低分辨率类型的电机，它的典型步距角为7.5°至15°（48 - 24步/转）。永久磁场型步进电机顾名思义有永久磁铁附加的电机的结构。与可变磁阻型电机相比，这种电机的转子不再有齿。相反的，转子是随着北极和南极交替坐落于一条平行于转子轴的直线而磁化。这些磁化转子磁极为电机提供一种增加的磁通强度，因此，这种永久磁场型电机与可变磁阻型电机相比，具有更高级的转矩特性。
图1 可变磁阻型步进电机的截面
混合型（HB）
混合型步进电机比永磁型步进电机更昂贵，但在分辨率，转矩和速度上提供了更好的性能。对于混合型步进电机，其典型的步距角的范围是3.6°〜0.9°（100 - 400步每转）。该混合式步进电机结合了永久磁场型步进电机和可变磁阻型步进电机的优良特性。转子是像可变磁阻型电机，是多齿型的，并包含一个轴向磁化同心磁体绕着它的轴 。转子上的齿提供了一条更好的路径，它有助于引导首选地点中的磁通气隙。与VR和PM型电机相比，进一步增加了锁定、控股和动态转矩的电机特性。
最常用的两种步进电机是永久磁铁型和混合型。如果设计师不知道哪种类型的步进电机最能满足他的应用需求，他应该先评估永久磁场型的电机，因为它通常是更便宜的。如果永磁型电机不适合的话，那么混合型电机可能是正确的选择。
此外，还存在着一些特殊设计的步进电机。一个是盘式的永磁步进电机，它的转子是由稀土磁铁制成的，设计得像一张光盘，如图2。该型电机有一定的优势，例如非常低惯量和一个之间没有耦合的两个定子绕组的优化的磁流路。在某些应用中，这些品质是必不可少的。
尺寸和功率
除了根据步进电机步距角分类之外，步进电机也根据电机对应的直径的整体尺寸来分类。例如，一个大小为11的步进电机的直径约1.1英寸。同样大小23的步进电机具有机身直径为2.3英寸（58毫米）。然而整体大小相同的步进电机由于属于不同的机型，在机身长度上可能会有变化。一般而言，某一个特定尺寸的电机的可用输出力矩会随着机身长度的增加而增加。
步进电机的驱动IC的功率范围通常由对非常小的电机的低于1瓦特到对大型电机的10-20瓦特。在电机制造商的数据里，电机的最大功耗水平和热极限很少明确提出。为了证明这一点，我们必须应用的关系为：P= V×I。例如，大小为23的步进电机，每阶段额定电压、电流为6V和1A。因此，与两个阶段通电两相电源的电机的额定功耗为12瓦。测量步进电机的热量挥发水平的通常做法是，在静止的空气中，让电机的热量上升到65°C。如果给电机安装散热装置，通常可以增加允许功耗水平。这一点很重要，因为电机的设计要求它应该在尺寸、输出功率和成本的角度来有效地利用其最大功耗。
何时使用步进电机
当受控运动必需时，步进电机可以是一个很好的选择。当需要控制旋转角度，速度，位置和同步时，步进电机的优势可以在这些应用中得到有效利用。由于自身固有的优势，步进电机在许多不同的应用中已经找到了自己的位置，包括打印机，绘图仪，高端办公设备，硬盘驱动器，医疗设备，传真机械，汽车等。
图2.磁通通过两杆步进电机的转子和定子之间
旋转磁场
当一相绕组的步进机电动机通以激励电流时，就会产生磁通，该磁通的方向是由“右手规则”决定的。“右手规则”规定：“如果磁力线垂直进入右手，四指所指向的方向为导线中感应电流的方向，大拇指所指向的方向则为磁场方向。”
图2显示出的磁通路径走向，B相通电时绕组电流方向如图所示。转子控制自身使磁通的阻抗最小化。在这种情况下的电动机将顺时针方向旋转，这样它的南极与北极对齐的定子B在位置2，北极与南极对齐的定子B在位置6。为了让电机转动，我们现在可以看到，我们必须提供一系列的激励定子绕组，提供一个旋转的磁场场，在磁吸力的作用下，带动定子转动。
转矩代数
步进电机产生的转矩取决于几个因素：
·步进速率
·绕组的驱动电流
·驱动器设计或类型
在一个步进电机中，当转子和定子的磁通量互相交链时，转矩才发生变化。该定子是由一个高渗透性磁材料组成的。这和电子电路中电流集中在导体中的方式一样，这种高渗透性磁性材料导致了磁通量被部分地限定在定子的磁路上。这是为了把磁通量集中在定子两极。当绕组通电时，电机产生的转矩输出与磁通产生的强度成比。
磁通量与磁密的基本关系为：
H = (N ×I) ÷l，其中：N =绕组的匝数I =电流
H =磁场强度 l=磁通路径的长度
这种关系表明，磁通量的强度与扭矩绕组的匝数和电流成正比，与磁通路径的长度成反比。从这个基本关系可以看出，相同的大小的步进电机，通过改变绕组参数可有不同的扭矩输出。更多关于绕组参数如何影响步进电机输出量的详细资料，可以在题为“驱动器电路基础”的应用说明中找到。
相、极和步进角
一般情况下，步进电机是两相的，但三相和五相电机也是存在的。双极电机有两相，每一相有一个绕组。单极电机也有两相，每相有一个绕组，只是每相绕组多了一个中心抽头。有时单极步进电机被称为一个“四相电机“，尽管它只有两相。
也存在每相有两个单独绕组的电机，这些电机采用双极性或单极模式来驱动。
极可以被定义为磁化体磁通密度集中的区域。转子和步进电机的定子都有磁极。图2是一个简化的两相步进电机，定子每相有2个极（1对极），转子上有2极（一对极）。在现实中，转子和定子结构会加入更多的磁极，以增加步数电动机每转的步数，换句话说，就是提供一个较小的基本（全步）步进角度。永久永磁步进电机包含一个相等数量的转子和定子的极对。通常情况下，PM电机有12个极对数，即定子每相具有12个极对。混合型步进电机有一个带齿的转子，该转子被分成两部分，由永磁隔开，使一半的齿成为南极，另一半成为北极，而转子的极对数量就等于任何转子齿数的一半。为了建立一个较高的等效磁极数，混合型电机的定子极也有齿（对于较小的极距，等效磁极数=360/齿距）。与等效磁极比较，基本的极上是有绕组缠绕的。通常4个主极适用于3.6度的电机，而8个极适用于1.8和0.9度类型的电机。
转子极数、等效定子磁极数和相数的关系式之间决定了步进电机整步时的步距角。
步距角=360 ÷(NPh ×Ph)=360/N
NPh =每相等效磁极数相位=转子极数
Ph=相数N =各相磁极数之和
如果在转子和定子的齿距是不相等的，则存在更为复杂的关系式。
步进模式
以下是最常见的驱动模式：
·波动驱动（1相通电）
·全步驱动（2相通电）
·半步驱动（1＆2相通电）
·微步驱动（连续不同的电机电流变化）
对于以下的讨论，请参阅图3。
在波动驱动中，只有一个绕组在任何给定的时间内通电。该定子通电序列为 A → B → → ，转子的转动步骤为8 → 2 → 4 → 6。对于同一绕组参数的单极性和双极性的电机，这种激励模式会导致转子在相同的机械位置运行。该驱动模式的缺点是对于绕组的利用率在单极的电机只有25％，而在双极性电机只有50％。这意味着你没有从电机运行中得到最大转矩输出。
在全步驱动下，任何给定时间内都有两相通电。根据定子通电序列AB → B → →A，转子将按步骤1 → 3 →5 →7步进。全步模式和单相通电有相联系的运动角度，但在机械位置上偏移了二分之一。单极性电机的输出转矩要低于其双极性电机（电机同一绕组参数），因为单极电机只使用50％的绕组，而双极性电机却利用了整个绕组。
半步驱动结合波动驱动和全步驱动（1＆2相通电）两种模式。在这种模式下，第二步仅有一相通电，在其他步上，每极都有一相通电。根据定子通电序列AB → B → B → → → → A→ A，转子的步进位置为 1 →2 → 3 → 4 → 5 → 6 →7 →8。这样的运动的角度只有1 或2相通电那种驱动模式下歩距角的一半。和1 或2相通电驱动模式相比，半步运行可以减少共振现象。
图3.单极和双极步进电机
表1中对上述驱动模式的激励序列作了总结。
在微步驱动时，绕组中的电流是连续变化的，以便能够将一个整步分成许多较小的离散微步。更多关于微步驱动的详细信息可以找到。
表1.不同的驱动模式的激励序列
转矩特性
步进电机的距角特性是指步进电机按照额定电压通电时，施加到转子轴上的力矩与对应的偏移角度之间的关系。一个理想的步进电机具有正弦曲线的转矩特性，如图4所示。
当负载被施加到转子轴时，位置A和C分别代表稳定平衡点。当你将一个外力Ta作用在电机的转轴上，就会产生一个对应的偏移角度。该偏移角度Θa，角度超前或滞后，取决于电机是处于加速或减速状态。当转子上施加载荷停止时，它将保持在一个被定义为偏移角的位置上。该电机产生的力矩Ta，对应于施加的外力以平衡负载。随着负载增加，偏移角也增加，直到达到电机的最大控股转矩Th。一旦超过电机将进入一个不稳定的区域。在这种区域的转矩产生反向，并且转子跃过不平衡点到达下一个平衡点。
图4.转矩.转子在不同位置的转矩
偏移角由以下关系式确定：
X = (Z ÷2∏) ×sin(Ta ÷Th)，其中：
Z =转子齿距 Ta=负载转矩 Th =电动机额定转矩 X =偏移角
因此，如果你对带负载电机的步距角误差觉得有问题的话，你可以通过改变电机的“刚度”来改善。这是通过增加电机的额定转矩来实现。我们可在图4看到这一效果。对于一个恒定负载，增加额定转矩可以使滞后角从Q2偏移到Q1 。
步距角精度
步进电机作为一款定位设备取得了如此受欢迎的原因之一是它的精度和可重复性。通常步进电机的步距角精度达到每步的3% - 5%。这个误差不是一步一步累积的。步进电机的精度主要受它的零件精度和装配的影响。图5示出了典型步进电机的矩角精度。
图5.步进电机的矩角精度
a.步矩角误差
当电机从先前位置旋转到下一步时产生的最大正向或负向误差
步矩角误差=测量步矩角 - 理论角度
b.定位误差
电机从初始位置步进N次（N= 360°/步矩角），测量每一步到初始位置的角度。如果第N步的位置到初始位置的角度为ΘN，误差是ΔΘN，则：
ΔΘN = ΔΘN - (步矩角) ×N。
尽管位置误差是最大值和最小值之间的差异，但通常表示为±符号。即为：
位置误差= ±1⁄2( ΔΘMax - ΔΘMin)
c.迟滞位置误差
在两个方向测量中获得的误差值。
机械参数，负载，摩擦，惯量
步进电机系统（驱动器和电机）的性能高度依赖于机械负载参数。负载是定义为电机所驱动的，一般是指摩擦，惯量或两者的组合。
摩擦力由于表面的凹凸不平、相互摩擦而产生的对运动的阻力。摩擦力是一个常数与速度相乘。在整个步进过程中，需要最小的力矩（至少等于摩擦），来克服当前的摩擦力。增加摩擦负荷，将降低最大速度和加速度，增加了矩角误差。如果磨擦负载降低将得到相反的结果。
惯量是抵抗变化速度的。一个高惯性负载要求一个高惯性力矩和同样的适用于制动。增加一个惯性负荷将增加速度的稳定性，增加所需的时间以达到所希望的速度和减少最大的自启动脉冲速率。如果惯量降低则得到相反的结果。
步进电机的转子振动将随摩擦力和惯性负载的大小而变化。由于这种机械阻尼装置，不必要的转子振荡可以减小。通常采用更为简单的电子阻尼的方法，以减少这些不必要的振动例如把整步驱动变为半步驱动。
转矩与速度特性
对于一个特定的应用，转矩与速度之间的关系特性是选择合适的电机驱动的关键。这些特性是依赖于（变化）电机，激励模式、不同的驱动器或驱动器的方法。一个典型的“转速 - 转矩曲线”如图6所示。为了获得更好的理解需要定义与这条曲线相关的概念。
图6.转速 - 转矩特性曲线
a.保持转矩
电机在停止时产生的最大转矩。
b.牵入曲线
牵入曲线定义了一个作为开始停止的区域。这是电机在施加负荷的情况下，可以瞬间启动/停止且不损失同步的最高频率。
c.最大起动功率
指无负载施加时的最大起动功率。
d.牵出曲线
牵出曲线定义一个被称为运转的区域。它指的是电机能够运行到最大频率而不会失去同步。因为此区域在牵入区域以外，电机必须通过一个阶段（加速或减速）才能进入这一区域。
e.最大转换速率
电机无负荷时的最高工作频率。
牵入特性的变化取决于负载。负载惯量越大，牵入区域越小。从曲线的形状我们可以看到，步进频率影响电机的转矩输出能力。随着速度的增加，转矩输出
将递减，这是由于在高速时的电机的电感在电路元素是占主导地位的。
转速 - 转矩的形状曲线根据所使用的驱动类型有显著的改变。由爱立信组件制成的双极斩波类型驱动电路，可以达到最佳的转速 - 转矩特性。大部分电机制造商会提供这些电机的转速 - 转矩曲线。重要的是要了解电机制造商所给的转矩-转速特性曲线采用的驱动器类型或驱动方式。因为对于一个给定的电机，由于所用驱动方式的不同其特性曲线也将有显著变化。
单步响应和共振
单步响应特性的步进电机如图7所示。
当单步脉冲被施加到步进电机，转子的动作方式如上述曲线所示。步进时间t是当第一个步进脉冲施加时，电机轴旋转一个步距角所花费的时间。此步进的时间是高度依赖于惯量（负载）转矩的比率，以及使用的驱动类型。
由于转矩是偏移角度的函数，加速度也将是。因此，当转动的步进增量较大时，对应的转矩也较大，因此加速度也增大。这将引起的过冲和振荡如图所示。经过设定的时间，这些振荡或反复将终止。在某些应用中，这现象是不可取的。通过微步驱动的步进电机，可以减少或消除这些共振现象。
图7.单步响应随时间的变化
在某一特定的频率，步进电机会出现共振现象。这可以被看作是在某一速度下由于转矩的损失或速度下降，而导致的步丢失或失去同步。当输入阶跃脉冲速率与固有转子振荡频率相一致，会出现这种情况。通常共振区域约100 - 200pps，在高步脉率区域也有。共振现象来自步进电机的基本结构，因此这是不可能完全消除。它也取决于负载条件，可以通过半步或微步驱动模式来削弱。