高效驱动，体验步进电动机

1.概述

步进电动机作为执行元件，是一种控制用的特种电动机，步进电动机利用其没有积累误差（精度为达100％）的特点，广泛应用于各种开环控制。

步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行器。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度（称“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

步进电动机通过控制脉冲个数来控制角位移量（转子角位移量与电脉冲数成正比），从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度（转速与电脉冲频率成正比），从而达到调速的目的。因此，只要通过控制输入脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序就可以获得所需的转角、转速及转向。因此步进电动机具有以下特点：

1）来一个脉冲，转一个步距角。

2）控制脉冲频率，可控制电动机转速。

3）改变脉冲顺序，可改变转动方向。

现在比较常用的步进电动机包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）和单相式步进电动机等。

永磁式步进电动机一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为7.5°或15°；

反应式步进电动机一般为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为1.5°，但噪声和振动都很大。反应式步进电动机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电动机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步距角一般为1.8°而五相步距角一般为0.72°，这种步进电动机的应用最为广泛。

感应子式电动机以相数可分为：二相电动机、三相电动机、四相电动机、五相电动机等。以机座号（电动机外径）可分为：42BYG（BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。

2.步进电动机工作原理

步进电动机的工作原理实际上是电磁铁作用的原理，磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。如图11-11所示。

图11-11 步进电机工作原理

在图11-11a中，线圈A-A′得电而产生电磁力，该电磁力将电枢上的齿1-3与A-A′对齐。在图b中，线圈B-B′通电而产生电磁力，由于之前图A中离B-B′最近的齿为2-4，所以在电磁力的作用下，使电枢齿2-4与B-B′对齐。于是步进电动机电枢转动了一个角度。在图c中：线圈C-C′得电而产生电磁力，由于之前图B中离C-C′最近的齿为1-3，所以在C-C′电磁力的作用下，电枢齿1-3与C-C′对齐，于是步进电动机又转过了一个角度。如此按照A-B-C的相序不停的轮流导通，转子便不停地沿顺时针方向转动；如果通电相序发生改变，按照A-C-B的相序工作。

3.步进电动机的技术指标

（1）步进电动机的静态指标及术语

1）相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。

2）拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电动机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电动机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式，即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

3）步距角：对应一个脉冲信号，电动机转子转过的角位移用θ_s表示。

式中 Z_r——转子齿数；

c——状态系数；(www.xing528.com)

m——每个通电循环周期的拍数。

当采用单三拍或双三拍运行时，c=1；当采用单、双六拍运行时，c=2。

以常规二、四相，转子齿为50齿电动机为例。四拍运行时步距角为θ=360°/（50×4）=1.8°（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360°/（50×8）=0.9°（俗称半步）。

实用步进电动机步距角多为3°和1.5°。为获得小步距角，电动机的定子、转子都做成多齿。

（2）步进电动机常用动态指标及术语

1）步距角精度：步进电动机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。步距角精度用百分比表示为误差/步距角∗100％。不同运行拍数其值不同，按四拍运行时应在5％之内，八拍运行时应在15％以内。

2）失步：电动机运转时运转的步数，不等于理论上的步数，称之为失步。

3）失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电动机运转必定存在失调角，由于失调角所产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

4）最大空载起动频率：电动机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

5）电动机正反转控制：当电动机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时为正转，通电时序为DA-CD-BC-AB时为反转。

4.PLC运动控制技术控制对策

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

因此在驱动时，可以通过控制脉冲的数量来控制角位移量，从而来达到精确定位的目的。同时可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到控制调速的目的。改变脉冲顺序，可改变转动方向。控制框图如图11-12所示。

图11-12 步进电动机控制框图

在三菱FX系列PLC中有两个脉冲发生器，分别为Y0与Y1，它们所产生的是一串串频率与数量可调的脉冲串（方波），如图11-13所示，如果我们直接用PLC输出的脉冲串去控制步进电动机，很显然是不能实现步进电动机的每相绕组轮流得电。如果每相绕组不能轮流得电，当然步进电动机就不会转动。为了解决这个问题，于是便出现了步进驱动器这个器件。

步进驱动器：步进驱动器的功能简单地说就是从外部控制器接收脉冲信号（PULS）和方向信号（DIR），然后进行脉冲分配和驱动放大，最后将处理好的信号输出给步进电动机。另外步进电动机在停止时通常有一相绕组得电，电动机的转子被锁住，所以当需要转子松开时可以使用脱机信号（FREE）或让步进驱动器断电。步进电动机驱动器连接如图11-14所示。

图11-13 PLC可调脉冲串

图11-14 步进电动机驱动器连接图

图11-15 步进电动机与PLC连接图

当用PLC来控制步进电动机时，在程序中主要控制三点：分别是脉冲数量的多少来决定步进电动机转动的角度，方向信号的有无来控制步进电动机的转动方向（电动机正向运行时给方向信号，反向运行时不用给方向信号），脉冲的频率来控制步进电动机转动的速度。步进电动机与PLC连接如图11-15所示。