步进电机设备简介

步进电机

步进电机是将电脉冲信号变化为角位移或线位移的开环掌控电机，是现代数字程序掌控系统中的重要执行元件，应用极为广泛。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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动

步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋

转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过掌控脉冲个数来掌控角位

移量，从而达到精准定位的目的；同时可以通过掌控脉冲频率来掌控电

机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直

流电变成分时供电的，多相时序掌控电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序

掌控器。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像一般的直流

电机，交流电机在常规下使用。它必需由双环形脉冲信号、功率驱动电

路等构成掌控系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等很多学问。步进电机作为执行元件，是机电

一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化掌控系统中。随着微电

子和计算机技术的进展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济

领域都有应用。

目录测速方法步进电机掌控策略特点特性指标术语重要构造基本

原理选择方法重要分类步进电机概述功能模块设计驱动方法优势及缺陷

电机选择驱动要求注意

测速方法

步进电机是将脉冲信号转换为角

位移或线位移。

一是过载性好。其转速不受负载大小的影响，不像一般电机，当

负载加大时就会显现速度下降的情况，步进电机使用时对速度和位置都

有严格要求。

二是掌控便利。步进电机是以“步”为单位旋转的，数字特征比

较明显。

三是整机结构简单。传统的机械速度和位置掌控结构比较多而杂，调整困难，使用步进电机后，使得整机的结构变得简单和紧凑。测速电

机是将转速转换成电压，并传递到输入端作为反馈信号。测速电机为一

种辅佑襄助型电机，在一般直流电机的尾端安装测速电机，通过测速电

机所产生的电压反馈给直流电源，来达到掌控直流电机转速的目的。

步进电机掌控策略

1PID掌控

PID掌控作为一种简单而应用的掌控方法,在步进电机驱动中获得

了广泛的应用。它依据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成掌控偏

差e（t）,将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成掌控量,对被控

对象进行掌控。文献将集成位置传感器用于二相混合式步进电机中,以

位置检测器和矢量掌控为基础,设计出了一个可自动调整的PI速度掌控器,此掌控器在变工况的条件下能供给令人充足的瞬态特性。文献依据

步进电机的数学模型,设计了步进电机的PID掌控系统,采纳PID掌控算

法得到掌控量,从而掌控电机向指定位置运动。通过仿真验证了该掌控

具有较好的动态响应特性。采纳PID掌控器具有结构简单、鲁棒性强、

牢靠性高等优点,但是它无法有效应对系统中的不确定信息。

目前,PID掌控更多的是与其他掌控策略相结合,形成带有智能的新型复合掌控。这种智能复合型掌控具有自学习、自适应、自组织的本领,能够自动辨识被控过程参数,自动整定掌控参数,适应被控过程参数的变化,同时又具有常规PID掌控器的特点。

2自适应掌控

自适应掌控是在20世纪50时代进展起来的自动掌控领域的一个

分支。它是随着掌控对象的多而杂化,当动态特性不可知或发生不可推

测的变化时,为得到高性能的掌控器而产生的。其重要优点是简单实现

和自适应速度快,能有效地克服电机模型参数的缓慢变化所引起的影响,

是输出信号跟踪参考信号。文献讨论者依据步进电机的线性或貌似线性

模型推导出了全局稳定的自适应掌控算法,这些掌控算法都严重倚靠于

电机模型参数。文献将闭环反馈掌控与自适应掌控结合来检测转子的位

置和速度,通过反馈和自适应处理,依照优化的升降运行曲线,自动地发

出驱动的脉冲串,提高了电机的拖动力矩特性,同时使电机获得更精准明

确的位置掌控和较高较平稳的转速。

目前,很多学者将自适应掌控与其他掌控方法相结合,以解决单纯

自适应掌控的不足。文献设计的鲁棒自适应低速伺服掌控器,确保了转

动脉矩的化补偿及伺服系统低速高精度的跟踪掌控性能。文献实现的自

适应模糊PID掌控器可以依据输入误差和误差变化率的变化,通过模糊

推理在线调整PID参数,实现对步进电机的自适应掌控,从而有效地提高

系统的响应时间、计算精度和抗干扰性。[2]

3矢量掌控

矢量掌控是现代电机高性能掌控的理论基础,可以改善电机的转矩

掌控性能。它通过磁场定向将定子电流分为励磁重量和转矩重量分别加

以掌控,从而获得良好的解耦特性,因此,矢量掌控既需要掌控定子电流

的幅值,又需要掌控电流的相位。由于步进电机不仅存在主电磁转矩,还

有由于双凸结构产生的磁阻转矩,且内部磁场结构多而杂,非线性较一般

电机严重得多,所以它的矢量掌控也较为多而杂。文献[8]推导出了二相

混合式步进电机d—q轴数学模型,以转子永磁磁链为定向坐标系,令直

轴电流id=0,电动机电磁转矩与iq成正比,用PC机实现了矢量掌控系统。系统中使用传感器检测电机的绕组电流和转自位置,用PWM方式掌控电

机绕组电流。文献推导出基于磁网络的二相混合式步进电机模型,给出

了其矢量掌控位置伺服系统的结构,采纳神经网络模型参考自适应掌控

策略对系统中的不确定因素进行实时补偿,通过转矩/电流矢量掌控实现

电机的高效掌控。