步进电机概述

步进电机相比于一般的直流电机的控制方式更为灵活，并且具备较高的控制精准度。除此以外，步进电机所具备的最显著的优势在于拥有一定的数字化能力，可通过控制器或者微处理器发送PWM脉冲信号，将电信号转变为数字信号后可以实现驱动控制步进电机旋转一定的角度，如图2-1所示。并通过脉冲的方式来对其角度进行控制，在连续输入数个脉冲后即可实现对其连续运行。连续脉冲启动下的步进电机，可依照输入的脉冲个数进行连续的旋转运动，相较于传统的直流电机，这种控制方式的位置精度以及控制稳定性都得到了巨大的提升。由于相关配套技术的发展在提升了步进电机的工作稳定性的同时也大幅度的降低了其成本，因此越来越多的传动系统都使用步进电机工作，在使用的过程中，可将其视为一个位置转换和电脉冲信号转换的装置，只需通过对处理器输出的脉冲频率进行控制，就可以控制电机旋转，能够大幅度减化了电机控制的工作量。

图 2-1 步进电机脉冲驱动

现阶段市场能够选择的步进电机中以结构进行划分可分为三类。分别是：永磁式、反应式和混合式三类电机。其中最被人们推崇与使用用途的范围最大的是永磁式步进电机，其作为步进电机，是极为重要的一类。电机的内部结构中的定子和转子具有相同的极数，转子由永磁材料构成，基于这种设计结构使得此类电机具备极好的动态性能，其输出力矩较大，但考虑到其控制的精准程度极差且步距角很大，此类电机已经无法满足现代化自动设备的高精度控制需求；反应式步进电机价格很便宜，制作工艺要求不高，但运行性能较差，必须上电才能工作，效率低，功耗大容易发热等，寿命和可靠性低；结合以上的分析并基于已有的电机类型加以改进，混合式步进电机横空出世。结合了上述两种电机的优点，在能够保持较好的动态性能的同时，其输出的力矩也较大，步进角度也小，精度高，可以满足生产与生活中某些设备控制的高精度需求。 步进电机控制系统的组成可以划分为很多种，但大部分都可以划分成为是由操作系统部分与运动控制部分系统两个部分组合而成。通过操作系统进行处理后，把操作信号转化为电信号，便于进行信息的快速接收，执行部分并做出相应的反应，从而完成规定设计的机械动作。运动控制就是对即对静止或者移动的物体的速度和位置与状态进行控制，经典的运动控制系统一般都会分为三部分，分别是执行、控制以及驱动三部分。目前步进电机的控制方式主要有两种：开环控制和闭环控制。

（1）开环控制

作为步进电机初始阶段使用的最直接，最容易操作，最简单，最常见的开环控制方法，其控制框图如图2-2所示。在此控制模式下，仅通过脉冲控制器生成的脉冲来执行电动机的速度和位置控制，并且电动机的工作状态会按照输出的脉冲波进行变化。控制系统中也会因为没有反馈的信号而无法形成反馈电路。没有这个信号也不能判断其运行状态。其转子也只会在在磁场中受力旋转，一旦无法做出正确的响应就会出现故障。励磁变化过快也不行，会影响电机运行的精度，增大实际运行误差。在速度变化较快和电机有大负载的改变时，电机会有不可控的执行误差，也经常会失步。随着科技的变化使得配合电机的开环控制系统也逐渐发展起来。

 

 

图 2-2 步进电机开环控制

（2）闭环控制

由于以上控制方法一直以来在执行的过程中都存在误差，没有能力满足越来越高的需求。经过改进得出了闭环控制。其可对电机的运行状态与数据进行直接与间接的采集并把采集后的数据发送给电机控制器。能够让电机了解实时带负载状态并且更为快速的调整运行位置。此控制类型结构上是一个闭环型结构，因此称之为闭环控制。图2-3所示所示即为闭环控制图。

 

 

图 2-3 步进电机闭环控制

该技术的使用，其实就是在开环控制的方式上加入一个反馈单元，但这也让它的组成部分更多也更难实现。而高性能的器件的使用提高了其成本，受限于价格而很难再市场竞争从中胜出。由于化学与电子学的突破，高精度器件的的成本迅速降低，性能越来越高，越来越被市场所接受，逐渐成为控制电机的主要方案。

 

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