ST4118L1804-B步進電機

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步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機，是現代數字程序控制系統中的主要執行元件，應用極為廣泛。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，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。

雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。

介紹

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步進電機又稱為脈沖電機,基于基本的電磁鐵原理,它是一種可以自由回轉的電磁鐵,其動作原理是依靠氣隙磁導的變化來產生電磁轉矩。其原始模型是起源于年至年間。年前后開始以控制為目的的嘗試,應用于氫弧燈的電極輸送機構中。這被認為是初的步進電機。二十世紀初,在話自動交換機中廣泛使用了步進電機。由于西方資本主義列強爭奪殖民地,步進電機在缺乏交流電源的船舶和飛機等獨立系統中得到了廣泛的使用。二十世紀五十年代后期晶體管的發明也逐漸應用在步進電機上,對于數字化的控制變得更為容易。到了八十年代后,由于廉價的微型計算機以多功能的姿態出現,步進電機的控制方式更加靈活多樣。 [1] 

步進電機相對于其它控制用途電機的大區別是,它接收數字控制信號電脈沖信號并轉化成與之相對應的角位移或直線位移,它本身就是一個完成數字模式轉化的執行元件。而且它可開環位置控制,輸入一個脈沖信號就得到一個規定的位置增量,這樣的所謂增量位置控制系統與傳統的直流控制系統相比,其成本明顯減低,幾乎不必進行系統調整。步進電機的角位移量與輸入的脈沖個數嚴格成正比,而且在時間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數量、頻率和電機繞組的相序,即可獲得所需的轉角、速度和方向。 [1] 

我國的步進電機在二十世紀七十年代初開始起步,七十年代中期至八十年代中期為成品發展階段,新品種和高性能電機不斷開發,目前,隨著科學技術的發展,特別是永磁材料、半導體技術、計算機技術的發展,使步進電機在眾多領域得到了廣泛應用。

步進電機控制技術及發展概況

作為一種控制用的特種電機,步進電機無法直接接到直流或交流電源上工作,必須使用的驅動電源步進電機驅動器。在微電子技術,特別計算機技術發展以前,控制器脈沖信號發生器*由硬件實現,控制系統采用單獨的元件或者集成電路組成控制回路,不僅調試安裝復雜,要消耗大量元器件,而且一旦定型之后,要改變控制方案就一定要重新設計電路。這就使得需要針對不同的電機開發不同的驅動器,開發難度和開發成本都很高,控制難度較大,限制了步進電機的推廣。 [1] 

由于步進電機是一個把電脈沖轉換成離散的機械運動的裝置,具有很好的數據控制特性,因此,計算機成為步進電機的理想驅動源,隨著微電子和計算機技術的發展,軟硬件結合的控制方式成為了主流,即通過程序產生控制脈沖,驅動硬件電路。單片機通過軟件來控制步進電機,更好地挖掘出了電機的潛力。因此,用單片機控制步進電機已經成為了一種必然的趨勢,也符合數字化的時代趨。[1] 

主要分類

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步進電機從其結構形式上可分為反應式步進電機（Variable Reluctance，VR）、永磁式步進電機Permanent Magnet,PM）、混合式步進電機（Hybrid Stepping,HS）、單相步進電機、平面步進電機等多種類型,在我國所采用的步進電機中以反應式步進電機為主。步進電機的運行性能與控制方式有密切的關系,步進電機控制系統從其控制方式來看,可以分為以下三類：開環控制系統、閉環控制系統、半閉環控制系統。半閉環控制系統在實際應用中一般歸類于開環或閉環系統中。 [1] 

反應式：定子上有繞組、轉子由軟磁材料組成。結構簡單、成本低、步距角小，可達1.2°、但動態性能差、效率低、發熱大，可靠性難保證。

永磁式：永磁式步進電機的轉子用永磁材料制成，轉子的極數與定子的極數相同。其特點是動態性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）。

混合式：混合式步進電機綜合了反應式和永磁式的優點，其定子上有多相繞組、轉子上采用永磁材料，轉子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態性能好，步距角小，但結構復雜、成本相對較高。

按定子上繞組來分，共有二相、三相和五相等系列。的是兩相混合式步進電機，約占97%以上的*，其原因是性價比高，配上細分驅動器后效果良好。該種電機的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅動器后，步距角減少為0.9°，配上細分驅動器后其步距角可細分達256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進電機可配不同細分的驅動器以改變精度和效果。

選擇方法

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步進電機和驅動器的選擇方法：

判斷需多大力矩：靜扭矩是選擇步

步進電機（圖3）

進電機的主要參數之一。負載大時，需采用大力矩電機。力矩指標大時，電機外形也大。

判斷電機運轉速度：轉速要求高時，應選相電流較大、電感較小的電機，以增加功率輸入。且在選擇驅動器時采用較高供電電壓。

選擇電機的安裝規格：如57、86、110等，主要與力矩要求有關。

確定定位精度和振動方面的要求情況：判斷是否需細分，需多少細分。

根據電機的電流、細分和供電電壓選擇驅動器。

基本原理

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工作原理

通常電機的轉子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產生一矢量磁場。該磁場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向*。當定子的矢量磁場旋轉一個角度。轉子也隨著該磁場轉一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉。所以可用控制脈沖數量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。

發熱原理

通常見到的各類電機，內部都是有鐵芯和繞組線圈的。繞組有電阻，通電會產生損耗，損耗大小與電阻和電流的平方成正比，這就是我們常說的銅損，如果電流不是標準的直流或正弦波，還會產生諧波損耗；鐵心有磁滯渦流效應，在交變磁場中也會產生損耗，其大小與材料，電流，頻率，電壓有關，這叫鐵損。銅損和鐵損都會以發熱的形式表現出來，從而影響電機的效率。步進電機一般追求定位精度和力矩輸出，效率比較低，電流一般比較大，且諧波成分高，電流交變的頻率也隨轉速而變化，因而步進電機普遍存在發熱情況，且情況比一般交流電機嚴重。

主要構造

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步進電機也叫步進器，它利用電磁學原理，將電能轉換為機械能，

步進電機（圖4）

人們早在20世紀20年代就開始使用這種電機。隨著嵌入式系統(例如打印機、磁盤驅動器、玩具、雨刷、震動尋呼機、機械手臂和錄像機等)的日益流行，步進電機的使用也開始暴增。不論在工業、軍事、醫療、汽車還是娛樂業中，只要需要把某件物體從一個位置移動到另一個位置，步進電機就一定能派上用場。步進電機有許多種形狀和尺寸，但不論形狀和尺寸如何，它們都可以歸為兩類：可變磁阻步進電機和永磁步進電機。

步進電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線圈驅動的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。

步進電機加減速過程控制技術

正因為步進電機的廣泛應用,對步進電機的控制的研究也越來越多,在啟動或加速時如果步進脈沖變化太快,轉子由于慣性而跟隨不上電信號的變化,產生堵轉或失步在停止或減速時由于同樣原因則可能產生超步。為防止堵轉、失步和超步,提高工作頻率,要對步進電機進行升降速控制。

步進電機的轉速取決于脈沖頻率、轉子齒數和拍數。其角速度與脈沖頻率成正比,而且在時間上與脈沖同步。因而在轉子齒數和運行拍數一定的情況下,只要控制脈沖頻率即可獲得所需速度。由于步進電機是借助它的同步力矩而啟動的,為了不發生失步,啟動頻率是不高的。特別是隨著功率的增加,轉子直徑增大,慣量增大,啟動頻率和運行頻率可能相差十倍之多。 [1] 

步進電機的起動頻率特性使步進電機啟動時不能直接達到運行頻率,而要有一個啟動過程,即從一個低的轉速逐漸升速到運行轉速。停止時運行頻率不能立即降為零,而要有一個高速逐漸降速到零的過程。

步進電機的輸出力矩隨著脈沖頻率的上升而下降,啟動頻率越高,啟動力矩就越小,帶動負載的能力越差,啟動時會造成失步,而在停止時又會發生過沖。要使步進電機快速的達到所要求的速度又不失步或過沖,其關鍵在于使加速過程中,加速度所要求的力矩既能充分利用各個運行頻率下步進電機所提供的力矩,又不能超過這個力矩。因此,步進電機的運行一般要經過加速、勻速、減速三個階段,要求加減速過程時間盡量的短,恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應的工作中,從起點到終點運行的時間要求短,這就必須要求加速、減速的過程短,而恒速時的速度高。 [1] 

國內外的科技工作者對步進電機的速度控制技術進行了大量的研究,建立了多種加減速控制數學模型,如指數模型、線性模型等,并在此基礎上設計開發了多種控制電路,改善了步進電機的運動特性,推廣了步進電機的應用范圍指數加減速考慮了步進電機固有的矩頻特性,既能保證步進電機在運動中不失步,又充分發揮了電機的固有特性,縮短了升降速時間,但因電機負載的變化,很難實現而線性加減速僅考慮電機在負載能力范圍的角速度與脈沖成正比這一關系,不因電源電壓、負載環境的波動而變化的特性,這種升速方法的加速度是恒定的,其缺點是未充分考慮步進電機輸出力矩隨速度變化的特性,步進電機在高速時會發生失步。 [1] 

步進電機的細分驅動控制

步進電機由于受到自身制造工藝的限制,如步距角的大小由轉子齒數和運行拍數決定,但轉子齒數和運行拍數是有限的,因此步進電機的步距角一般較大并且是固定的,步進的分辨率低、缺乏靈活性、在低頻運行時振動,噪音比其他微電機都高,使物理裝置容易疲勞或損壞。這些缺點使步進電機只能應用在一些要求較低的場合,對要求較高的場合,只能采取閉環控制,增加了系統的復雜性,這些缺點嚴重限制了步進電機作為優良的開環控制組件的有效利用。細分驅動技術在一定程度上有效地克服了這些缺點。 [1] 

步進電機細分驅動技術是年代中期發展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合使用性能的驅動技術。年美國學者、*在美國增量運動控制系統及器件年會上提出步進電機步距角細分的控制方法。在其后的二十多年里,步進電機細分驅動得到了很大的發展。逐步發展到上世紀九十年代*成熟的。我國對細分驅動技術的研究,起步時間與國外相差無幾。 [1] 

在九十年代中期的到了較大的發展。主要應用在工業、航天、機器人、精密測量等領域,如跟蹤衛星用光電經緯儀、儀器、通訊和雷達等設備,細分驅動技術的廣泛應用,使得電機的相數不受步距角的限制,為產品設計帶來了方便。目前在步進電機的細分驅動技術上,采用斬波恒流驅動,儀脈沖寬度調制驅動、電流矢量恒幅均勻旋轉驅動控制止,,幾大大提高步進電機運行運轉精度,使步進電機在中、小功率應用領域向高速且精密化的方向發展。 [1] 

初,對步進電機相電流的控制是由硬件來實現的,通常采用兩種方法，采用多路功率開關電流供電,在繞組上進行電流疊加,這種方法使功率管損耗少,但由于路數多,所以器件多,體積大。

先對脈沖信號疊加,再經功率管線性放大,獲得階梯形電流,優點是所用器件少,但功率管功耗大,系統功率低,如果管子工作在非線性區會引起失真、由于本身不可克服的缺點,因此目前已很少采用這兩類方法。

指標術語

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靜態指標術語

1、相數：產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數。常用m表示。

2、拍數：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或

步進電機（圖5）

導電狀態用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

3、步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360度/（轉子齒數*運行拍數），以常規二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。

4、定位轉矩：電機在不通電狀態下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。

5、靜轉矩：電機在額定靜態電壓作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。 雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過分采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發熱及機械噪音。

動態指標術語

1、步距角精度：步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角**。不同運行拍數其值不同，四拍運行時應在5%之內，

步進電機（圖6）

八拍運行時應在15%以內。

2、失步：電機運轉時運轉的步數，不等于理論上的步數。稱之為失步。

3、失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。

4、大空載起動頻率：電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的大頻率。

5、大空載的運行頻率：電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的轉速頻率。

6、運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態曲線中重要的，也是電機選擇的根本依據。

步進電機（圖7）

其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。 電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態力矩卻不然，電機的動態力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態電流），平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，采用小電感大電流的電機。

7、電機的共振點：步進電機均有固定的共振區域，二、四相感應子式的共振區一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區較多。

8、電機正反轉控制：當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA或()時為正轉，通電時序為DA-CD-BC-AB或()時為反轉。

特點特性

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主要特點

1、一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。

2、步進電機外表允許的溫度。

步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，

步進電機（圖8）

從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的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*正常。

3、步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。

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。

4、步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。

步進電機有一個技術參數：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，可能發生失步或堵轉。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，在數字化制造時代發揮著重大的用途。伴隨著不同的數字化技術的發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。

主要特性

1、步進電機必須加驅動才可以運轉，驅動信號必須為脈沖信號，

步進電機（圖9）

沒有脈沖的時候，步進電機靜止，如果加入適當的脈沖信號，就會以一定的角度（稱為步角）轉動。轉動的速度和脈沖的頻率成正比。

2、三相步進電機的步進角度為7.5度，一圈360度，需要48個脈沖完成。

3、步進電機具有瞬間啟動和急速停止的*特性。

4、改變脈沖的順序，可以方便的改變轉動的方向。

因此，打印機、繪圖儀、機器人等設備都以步進電機為動力核心。

控制策略

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1 PID 控制

PID 控制作為一種簡單而實用的控制方法 , 在步進電機驅動中獲得了廣泛的應用。它根據給定值 r( t) 與實際輸出值 c(t) 構成控制偏差 e( t) , 將偏差的比例 、積分和微分通過線性組合構成控制量 ,對被控對象進行控制 。文獻將集成位置傳感器用于二相混合式步進電機中 ,以位置檢測器和矢量控制為基礎 ,設計出了一個可自動調節的 PI 速度控制器 ,此控制器在變工況的條件下能提供令人滿意的瞬態特性 。文獻根據步進電機的數學模型 ,設計了步進電機的 PID 控制系統 ,采用 PID 控制算法得到控制量 ,從而控制電機向位置運動 。后 ,通過仿真驗證了該控制具有較好的動態響應特性 。采用 PID 控制器具有結構簡單 、魯棒性強 、可靠性高等優點 ,但是它無法有效應對系統中的不確定信息 。 [2] 

目前 , PID 控制更多的是與其他控制策略相結合 , 形成帶有智能的新型復合控制 。這種智能復合型控制具有自學習 、自適應 、自組織的能力 ,能夠自動辨識被控過程參數 , 自動整定控制參數 , 適應被控過程參數的變化 ,同時又具有常規 PID 控制器的特點。 [2] 

2 自適應控制

自適應控制是在 20 世紀 50 年代發展起來的自動控制領域的一個分支 。它是隨著控制對象的復雜化 ,當動態特性不可知或發生不可預測的變化時 ,為得到高性能的控制器而產生的 。其主要優點是容易實現和自適應速度快 ,能有效地克服電機模型參數的緩慢變化所引起的影響 ,是輸出信號跟蹤參考信號 。文獻研究者根據步進電機的線性或近似線性模型推導出了全局穩定的自適應控制算法 , 這些控制算法都嚴重依賴于電機模型參數 。文獻將閉環反饋控制與自適應控制結合來檢測轉子的位置和速度 , 通過反饋和自適應處理 ,按照優化的升降運行曲線 , 自動地發出驅動的脈沖串 ,提高了電機的拖動力矩特性 ,同時使電機獲得更精確的位置控制和較高較平穩的轉速 。 [2] 

目前 ,很多學者將自適應控制與其他控制方法相結合 ,以解決單純自適應控制的不足。文獻設計的魯棒自適應低速伺服控制器 ,確保了轉動脈矩的大化補償及伺服系統低速高精度的跟蹤控制性能 。文獻實現的自適應模糊 PID 控制器可以根據輸入誤差和誤差變化率的變化 , 通過模糊推理在線調整 PID參數 ,實現對步進電機的自適應控制 , 從而有效地提高系統的響應時間 、計算精度和抗干擾性 。 [2] 

3 矢量控制

矢量控制是現代電機高性能控制的理論基礎 ,可以改善電機的轉矩控制性能 。它通過磁場定向將定子電流分為勵磁分量和轉矩分量分別加以控制 ,從而獲得良好的解耦特性 ,因此 , 矢量控制既需要控制定子電流的幅值 ,又需要控制電流的相位 。由于步進電機不僅存在主電磁轉矩 , 還有由于雙凸結構產生的磁阻轉矩 , 且內部磁場結構復雜 , 非線性較一般電機嚴重得多 , 所以它的矢量控制也較為復雜 。文獻[ 8] 推導出了二相混合式步進電機 d-q 軸數學模型 ,以轉子永磁磁鏈為定向坐標系 ,令直軸電流 id =0 ,電動機電磁轉矩與 i q 成正比 , 用PC 機實現了矢量控制系統 。系統中使用傳感器檢測電機的繞組電流和轉自位置 ,用 PWM 方式控制電機繞組電流 。文獻推導出基于磁網絡的二相混合式步進電機模型 , 給出了其矢量控制位置伺服系統的結構 ,采用神經網絡模型參考自適應控制策略對系統中的不確定因素進行實時補償 ,通過大轉矩/電流矢量控制實現電機的高效控制 。 [2] 

4 智能控制的應用

智能控制不依賴或不*依賴控制對象的數學模型 ,只按實際效果進行控制 , 在控制中有能力考慮系統的不確定性和精確性 , 突破了傳統控制必須基于數學模型的框架 。目前 , 智能控制在步進電機系統中應用較為成熟的是模糊邏輯控制 、神經網絡和智能控制的集成 。 [2] 

4 . 1 模糊控制

模糊控制就是在被控制對象的模糊模型的基礎上 ,運用模糊控制器的近似推理等手段 ,實現系統控制的方法 。作為一種直接模擬人類思維結果的控制方式 , 模糊控制已廣泛應用于工業控制領域 。與常規控制相比 ,模糊控制無須精確的數學模型 , 具有較強的魯棒性 、自適應性 , 因此適用于非線性 、時變 、時滯系統的控制 。文獻[ 16] 給出了模糊控制在二相混合式步進電機速度控制中應用實例 。系統為超前角控制 ,設計無需數學模型 ,速度響應時間短 。 [2] 

4 . 2 神經網絡控制

神經網絡是利用大量的神經元按一定的拓撲結構和學習調整的方法 。它可以充分逼近任意復雜的非線性系統 ,能夠學習和自適應未知或不確定的系統 ,具有很強的魯棒性和容錯性 ,因而在步進電機系統中得到了廣泛的應用 。文獻將神經網絡用于實現步進電機細分電流 , 在學習中使用 Bay es 正則化算法 ,使用權值調整技術避免多層前向神經網絡陷入局部極小點 ,有效解決了等步距角細分問題 。 [2] 

測速方法

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步進電機是將脈沖信號轉換為角

步進電機（圖10）

位移或線位移。

一是過載性好。其轉速不受負載大小的影響，不像普通電機，當負載加大時就會出現速度下降的情況，步進電機使用時對速度和位置都有嚴格要求。

二是控制方便。步進電機是以“步”為單位旋轉的，數字特征比較明顯。

三是整機結構簡單。傳統的機械速度和位置控制結構比較復雜，調整困難，使用步進電機后，使得整機的結構變得簡單和緊湊。測速電機是將轉速轉換成電壓，并傳遞到輸入端作為反饋信號。測速電機為一種輔助型電機，在普通直流電機的尾端安裝測速電機，通過測速電機所產生的電壓反饋給直流電源，來達到控制直流電機轉速的目的。

功能模塊設計

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本模塊可分為如下3個部分：

· 單片機系統：控制步進電動機；

· 外圍電路：PIC單片機和步進電動機的接口電路；

· PIC程序：編寫單片機控制步進電功機的接口程序，實現三角波信號的輸出功能。

（1）步進電動機與單片機的接口。

單片機是性能的控制處理器，在控制步進電機工作時，接口部件必須要有下列功能。

①電壓隔離功能。

單片機工作在5V，而步進電機是工作在幾十V，甚至更高。一旦步進電機的電壓串到單片機中，就會損壞單片機；步進電機的信號會干擾單片機，也可能導致系統工作失誤，因此接口器件必須有隔離功能。

②信息傳遞功能。

接口部件應能夠把單片機的控制信息傳遞給步進電機回路，產生工作所需的控制信息，對應于不同的工作方式，接口部件應能產生相應的工作控制波形。

③產生所需的不同頻率。

為了使步進電機以不同的速度工作，以適應不同的目的，接口部件應能產生不同的工作頻率。

（2）電壓隔離接口。

電壓隔離接口于隔離低壓部分的單片機和高壓部分的步進電機驅動電路，以保證它們的正常工作。

電壓隔離接口可以用脈沖變壓器或光電隔離器，基本上是采用光電隔離器。單片機輸出信號可以通過TTL門電路或者直接送到晶體管的基極，再由晶體管驅動光電耦合器件的發光二極管。

發光二極管的光照到光電耦合器件內部的光敏管上，轉換成電信號，再去驅動步進電機的功率放大電路，電流放大接口是步進電機功放電路的前置放大電路。它的作用是把光電隔離器的輸出信號進行電流放大，以便向功放電路提供足夠大的驅動電流。

（3）工作方式接口和頻率發生器。

用單片機控制步進電動機，需要在輸入輸出接口上用3條I/0線對步進電動機進行控制，這時，單片機用I/O口的RA0、RAI、RA2控制步進電動機的三相。

優勢及缺陷

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優點

1、電機旋轉的角度正

步進電機（圖11）

比于脈沖數；

2、電機停轉的時候具有大的轉矩（當繞組激磁時）；

3、由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復性；

4、優秀的起停和反轉響應；

5、由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命；

6、電機的響應僅由數字輸入脈沖確定，因而可以采用開環控制，這使得電機的結構可以比較簡單而且控制成本；

7、僅僅將負載直接連接到電機的轉軸上也可以極低速的同步旋轉；

8、由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉速范圍。

缺陷

1、如果控制不當容易產生共振；

2、難以運轉到較高的轉速；

3、難以獲得較大的轉矩；

4、在體積重量方面沒有優勢，能源利用率低；

5、超過負載時會破壞同步，高速工作時會發出振動和噪聲。

驅動方法

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步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用的步進電動機驅動器，它由脈沖發生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。驅動單元與步進電動機直接耦合，也可理解成步進電動機微機控制器的功率接口。

驅動要求

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1、能夠提供較快的電流上升和下降速度，

步進電機（圖12）

使電流波形盡量接近矩形。

具有供截止期間釋放電流流通的回路，以降低繞組兩端的反電動勢，加快電流衰減。

2、具有較高韻功率及效率。

步進電機驅動器，它是把控制系統發出的脈沖信號轉化為步進電機的角位移，或者說：控制系統每發一個脈沖信號，通過驅動器就使步進電機旋轉一個步距角。也就是說步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。所以控制步進脈沖信號的頻率，就可以對電機精確調速；控制步進脈沖的個數，就可以對電機精確定位。步進電機驅動器有很多，應以實際的功率要求合理的選擇驅動器。