步進電機控制器

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新疆農(nóng)業(yè)大學機械交通學院

機電一體化系統(tǒng)設計

課程（設計）論文

題目：步進電動機的工作原理及特點

姓名與學號：奉琦093731210

指導教師：郭俊先

年級與專業(yè)：機制092

所在學院：機械交通學院

課程評分：

二零一二年月

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步進電動機

【摘要】步進電動機是一種將脈沖信號變換成相應的角位移（或線性位移）的電磁裝置，是

一種特殊的電動機。步進電動機由于精確性以及其良好的性能，其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、

廉價，又非常可行，因此在打印機等辦公自動化設備以及各種控制裝置等眾多領域有著極其

廣泛的應用。本文內容介紹了步進電動機的工作原理及其主要特點，特性，同時對其相關部

件以及主要技術指標都有一定介紹，以便于更好的了解步進電動機。

關鍵詞：工作原理；特點；技術指標

前言

隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，它廣泛用于打印機、電

動玩具等消費類產(chǎn)品以及數(shù)控機床、工業(yè)機器人、醫(yī)療器械等機電產(chǎn)品中，其在各個國民經(jīng)

濟領域都有應用。研究步進電機的控制系統(tǒng)，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具

有重要意義。

1步進電機概述

步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機，國外一般稱為Steppingmotor、Pulmotor

或Stepperrvo，其應用發(fā)展已有約80年的歷史。步進電機是一種把電脈沖信號變成直線位

移或角位移的控制電機，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。步進電機

在結構上也是由定子和轉子組成，可以對旋轉角度和轉動速度進行高精度控制。當電流流過

定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場，該矢量場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉子的一對

磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉一個角度。因此，控制電機轉子旋轉實際上

就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉的磁場。每來一個脈沖電壓，轉子就旋轉

一個步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞組的電流輪流切換，在

供給連續(xù)脈沖時，就能一步一步地連續(xù)轉動，從而使電機旋轉。步進電機每轉一周的步數(shù)相

同，在不丟步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。在非超載的情況下，電機的轉速、

停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，同時步進電機只有

周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進電動機可以在寬廣的頻率范圍內通過改變脈沖頻

率來實現(xiàn)調速、快速起停、正反轉控制等，這是步進電動機最突出的優(yōu)點[1]。

正常情況下，步進電機轉過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈

沖時，電動機的轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影

響。由于步進電動機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機控制。

2國內外的研究概況

步進電機是國外發(fā)明的。中國在文化大革命中已經(jīng)生產(chǎn)和應用，例如江蘇、浙江、北京、

南京、四川都生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，驅動電路所有半導體器件都是完全國產(chǎn)化的，當

時是全分立元器件構成的邏輯運算電路，還有電容耦合輸入的計數(shù)器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。

國外在大功率的工業(yè)設備驅動上，目前基本不使用大扭矩步進電動機，因為從驅動電路的成

本，效率，噪音，加速度，絕對速度，系統(tǒng)慣量與最大扭矩比來比較，比較不劃算，還是用

直流電動機，加電動機編碼器整體技術和經(jīng)濟指標高。一些少數(shù)高級的應用，就用空心轉杯

電機，交流電機。國外在小功率的場合，還使用步進電機，例如一些工業(yè)器材，工業(yè)生產(chǎn)裝

備，打印機，復印件，速印機，銀行自動柜員機。國外用許多現(xiàn)代的手段將步進電機排擠出

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驅動應用，除了前面提到的旋轉編碼器，打印機還使用光電編碼帶或感應編碼帶配合直流電

動機，實現(xiàn)閉環(huán)直線位移控制。國內過去是用大力矩步進電動機實現(xiàn)機床數(shù)控，有實力的公

司現(xiàn)在也采用交流電動機驅動數(shù)控機床，在驅動設備的主要差距，是國外對交流電動機的控

制理論與工程分析和應用能力強，先進的控制理論作為軟件，寫在控制器內部。

總的來說，步進電機是一種簡易的開環(huán)控制，對運用者的要求低，不適合在大功率的場

合使用。

在衛(wèi)星、雷達等應用場合，中國在文化大革命后期，就生產(chǎn)了力矩電機，就生產(chǎn)了環(huán)形

力矩電機，在高品質的控制場合，有時還不能使用步進電機。步進電機的細分控制，在改革

開放初期，國內就已經(jīng)基本掌握，這與交流電動機的矢量控制相比，難度要低得多。

3步進電機的分類

步進電動機的種類很多，從廣義上講，步進電機的類型分為機械式、電磁式和組合式三

大類型。按結構特點電磁式步進電機可分為反應式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大類；

按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反應式和混合式步進電機

[7]。

(1)反應式步進電機(VariableReluctance，簡稱VR)反應式步進電機的轉子是由軟磁材料

制成的，轉子中沒有繞組。它的結構簡單，成本低，步距角可以做得很小，但動態(tài)性能較差。

反應式步進電機有單段式和多段式兩種類型；

(2)永磁式步進電機(PermanentMagnet，簡稱PM)永磁式步進電機的轉子是用永磁材料

制成的，轉子本身就是一個磁源。轉子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步距角比較大。

它輸出轉矩大，動態(tài)性能好，消耗功率小(相比反應式)，但啟動運行頻率較低，還需要正負

脈沖供電；

(3)混合式步進電機(Hybrid，簡稱HB)混合式步進電機綜合了反應式和永磁式兩者的優(yōu)

點。混合式與傳統(tǒng)的反應式相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定

子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，

發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉

過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小。這種電動機最初是作為一種低速驅動用的交流同步

機設計的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動機也能做步進增量運動。由于能

夠開環(huán)運行以及控制系統(tǒng)比較簡單，因此這種電機在工業(yè)領域中得到廣泛應用。由于本設計

的設計目的更注重整個系統(tǒng)的有機結合，所以只采用反應式步進電機[7]。。這種步進電機的

應用最為廣泛。

4步進電機工作原理

步進電機的工作就是步進轉動，其功用是將脈沖電信號變換為相應的角位移或是直線位

移，就是給一個脈沖信號，電動機轉動一個角度或是前進一步。步進電機的角位移量與脈沖

數(shù)成正比，它的轉速與脈沖頻率(f)成正比，在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置

只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電

機則轉過一個步距角。

如下所示的步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的

各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉動。圖4.1是該四相反應式步進電機工

作原理示意圖。

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圖4.1四相步進電機步進示意圖

開始時，開關SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉子0、3號齒對齊，同時，

轉子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。

當開關SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁

力線的作用，使轉子轉動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組

產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流

供電，則轉子會沿著A、B、C、D方向轉動。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時

序與波形分別如圖4.2所示：

圖4.2步進電機工作時序波形圖

5步進電動機有如下特點：

1）步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比。因此，當它轉一圈后，沒有累計誤

差，具有良好的跟隨性。

2）由步進電動機與驅動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡單、廉價，又非常可靠，同時，

它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。

3）步進電動機的動態(tài)響應快，易于啟停、正反轉及變速。

4）速度可在相當寬的范圍內平穩(wěn)調整，低速下仍能獲得較大轉距，因此一般可以不用

減速器而直接驅動負載。

5）步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，不能直接使用交流電源和直流電源。

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6）步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應措施。

7）一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。

8)步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因

此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退

磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏

80-90度完全正常。

9)當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電

動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。

10)步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動

的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載

的情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟

動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。

步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字

化技術的發(fā)展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。

6步進電機的特性

步進電機轉動使用的是脈沖信號，而脈沖是數(shù)字信號，這恰是計算機所擅長處理的數(shù)據(jù)

類型。從20世紀80年代開始開發(fā)出了專用的IC驅動電路，今天，在打印機、磁盤器等的

OA裝置的位置控制中，步進電機都是不可缺少的組成部分之一。總體上說，步進電機有如

下優(yōu)點：

(1)不需要反饋，控制簡單。

(2)與微機的連接、速度控制（啟動、停止和反轉）及驅動電路的設計比較簡單。

(3)沒有角累積誤差。

(4)停止時也可保持轉距。

(5)沒有轉向器等機械部分，不需要保養(yǎng)，故造價較低。

(6)即使沒有傳感器，也能精確定位。

(7)根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉動。但是，這種電機也有自身的缺點。

(8)難以獲得較大的轉矩

(9)不宜用作高速轉動

(10)在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。

(11)超過負載時會破壞同步，高速工作時會發(fā)出振動和噪聲。

7步進電機的驅動介紹

步進電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設備——步進電機驅動器.

步進電機驅動系統(tǒng)的性能，除與電機本身的性能有關外，也在很大程度上取決于驅動器的優(yōu)

劣。典型的步進電機驅動系統(tǒng)是由步進電機控制器、步進電機驅動器和步進電機本體三部分

組成。步進電機控制器發(fā)出步進脈沖和方向信號，每發(fā)一個脈沖，步進電機驅動器驅動步進

電機轉子旋轉一個步距角，即步進一步。步進電機轉速的高低、升速或降速、啟動或停止都

完全取決于脈沖的有無或頻率的高低。控制器的方向信號決定步進電機的順時針或逆時針旋

轉。通常，步進電機驅動器由邏輯控制電路、功率驅動電路、保護電路和電源組成。步進電

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(chǎn)生步進電機各相勵磁繞組導通或截止信號。控制電路輸出的信號功率很低，不能提供

步進電機所需的輸出功率，必須進行功率放大，這就是步進電機驅動器的功率驅動部分。功

率驅動電路向步進電機控制繞組輸入電流，使其勵磁形成空間旋轉磁場，驅動轉子運動。保

護電路在出現(xiàn)短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅動器和電機的運行。

8主要技術指標

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步進電機主要的技術指標有：

1)步距角指每給一個電脈沖信號電動機轉子所應轉過的角度的理論值。目前國產(chǎn)商品

化步進電機常用步距角為：0.36、0.6、0.72、0.75、0.9、1.2、1.5、1.8、2.25、3.6、4.5度

等。

2)齒距角相鄰兩齒中心線間的夾角，通常定子和轉子具有相同的齒距角。

3)失調角失調角是指轉子偏離零位的角度。

4)精度步進電機的精度有兩種表示方法，一種用步距誤差最大值來表示，另一種用步

距累計誤差最大值來表示。最大步距誤差是指電動機旋轉一周內相鄰兩步之間的最大步距角

和理想步距角的差值，用理想步距的百分數(shù)表示。最大累計誤差是指任意位置開始經(jīng)過任意

步之間，角位移誤差的最大值。

5)轉矩步進電機轉矩是一個重要的指標。它又包括定位轉矩、靜轉矩、動轉矩。定位

轉矩是指在繞組不通電時電磁轉矩的最大值。通常反應式步進電機的定位轉矩為零，混合式

步進電機有一定的定位轉矩。靜轉矩是指不改變繞組通電狀態(tài)，即轉子不轉時的電磁轉矩。

它是繞組電流及失調角的函數(shù)。對應某一失調角時靜轉矩最大，稱為最大靜轉矩。動轉矩是

指轉子轉動情況下的最大輸出轉矩值，它與運行頻率有關。在一定頻率下，最大靜轉矩越大，

動轉矩也越大。

6)響應頻率在某一頻率范圍內步進電機可以任意運行而不會丟失一步，則這一最大頻

率稱為響應頻率。通常用啟動頻率來作為衡量的指標，它是指在一定負載下直接啟動而不失

步的極限頻率，稱為極限啟動頻率。

7)運行頻率指拖動一定負載使頻率連續(xù)上升時，步進電機能不失步運行的極限頻率。

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