步進(jìn)電機也叫步進(jìn)器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉換為機械能.早在20世紀20年代就開(kāi)始使用這種電機。隨著(zhù)嵌入式系統(例如打印機、磁盤(pán)驅動(dòng)器、玩具、雨刷、震動(dòng)尋呼機、機械手臂和錄像機等)的日益流行，步進(jìn)電機的使用也開(kāi)始暴增。不論在工業(yè)、軍事、醫療、汽車(chē)還是娛樂(lè )業(yè)中，只要需要把某件物體從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，步進(jìn)電機就一定能派上用場(chǎng)。步進(jìn)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(lèi)：可變磁阻步進(jìn)電機和永磁步進(jìn)電機。步進(jìn)電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線(xiàn)圈驅動(dòng)的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線(xiàn)管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線(xiàn)圈、或相。

一.步進(jìn)電機加減速過(guò)程控制技術(shù)

1.正因為步進(jìn)電機的廣泛應用,對步進(jìn)電機的控制的研究也越來(lái)越多,在啟動(dòng)或加速時(shí)如果步進(jìn)脈沖變化太快,轉子由于慣性而跟隨不上電信號的變化,產(chǎn)生堵轉或失步在停止或減速時(shí)由于同樣原因則可能產(chǎn)生超步。為防止堵轉、失步和超步,提高工作頻率,要對步進(jìn)電機進(jìn)行升降速控制。步進(jìn)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(shí)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(jìn)電機是借助它的同步力矩而啟動(dòng)的,為了不發(fā)生失步,啟動(dòng)頻率是不高的。特別是隨著(zhù)功率的增加,轉子直徑增大,慣量增大,啟動(dòng)頻率和最高運行頻率可能相差十倍之多。步進(jìn)電機的起動(dòng)頻率特性使步進(jìn)電機啟動(dòng)時(shí)不能直接達到運行頻率,而要有一個(gè)啟動(dòng)過(guò)程,即從一個(gè)低的轉速逐漸升速到運行轉速。停止時(shí)運行頻率不能立即降為零,而要有一個(gè)高速逐漸降速到零的過(guò)程。

2.步進(jìn)電機的輸出力矩隨著(zhù)脈沖頻率的上升而下降,啟動(dòng)頻率越高,啟動(dòng)力矩就越小,帶動(dòng)負載的能力越差,啟動(dòng)時(shí)會(huì )造成失步,而在停止時(shí)又會(huì )發(fā)生過(guò)沖。要使步進(jìn)電機快速的達到所要求的速度又不失步或過(guò)沖,其關(guān)鍵在于使加速過(guò)程中,加速度所要求的力矩既能充分利用各個(gè)運行頻率下步進(jìn)電機所提供的力矩,又不能超過(guò)這個(gè)力矩。因此,步進(jìn)電機的運行一般要經(jīng)過(guò)加速、勻速、減速三個(gè)階段,要求加減速過(guò)程時(shí)間盡量的短,恒速時(shí)間盡量長(cháng)。特別是在要求快速響應的工作中,從起點(diǎn)到終點(diǎn)運行的時(shí)間要求最短,這就必須要求加速、減速的過(guò)程最短,而恒速時(shí)的速度最高。

3.國內外的科技工作者對步進(jìn)電機的速度控制技術(shù)進(jìn)行了大量的研究,建立了多種加減速控制數學(xué)模型,如指數模型、線(xiàn)性模型等,并在此基礎上設計開(kāi)發(fā)了多種控制電路,改善了步進(jìn)電機的運動(dòng)特性,推廣了步進(jìn)電機的應用范圍指數加減速考慮了步進(jìn)電機固有的矩頻特性,既能保證步進(jìn)電機在運動(dòng)中不失步,又充分發(fā)揮了電機的固有特性,縮短了升降速時(shí)間,但因電機負載的變化,很難實(shí)現而線(xiàn)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(guān)系,不因電源電壓、負載環(huán)境的波動(dòng)而變化的特性,這種升速方法的加速度是恒定的,其缺點(diǎn)是未充分考慮步進(jìn)電機輸出力矩隨速度變化的特性,步進(jìn)電機在高速時(shí)會(huì )發(fā)生失步。

二.步進(jìn)電機的細分驅動(dòng)控制

1.步進(jìn)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(jìn)電機的步距角一般較大并且是固定的,步進(jìn)的分辨率低、缺乏靈活性、在低頻運行時(shí)振動(dòng),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(diǎn)使步進(jìn)電機只能應用在一些要求較低的場(chǎng)合,對要求較高的場(chǎng)合,只能采取閉環(huán)控制,增加了系統的復雜性,這些缺點(diǎn)嚴重限制了步進(jìn)電機作為優(yōu)良的開(kāi)環(huán)控制組件的有效利用。細分驅動(dòng)技術(shù)在一定程度上有效地克服了這些缺點(diǎn)。

2.步進(jìn)電機細分驅動(dòng)技術(shù)是年代中期發(fā)展起來(lái)的一種可以顯著(zhù)改善步進(jìn)電機綜合使用性能的驅動(dòng)技術(shù)。年美國學(xué)者、首次在美國增量運動(dòng)控制系統及器件年會(huì )上提出步進(jìn)電機步距角細分的控制方法。在其后的二十多年里,步進(jìn)電機細分驅動(dòng)得到了很大的發(fā)展。逐步發(fā)展到上世紀九十年代完全成熟的。我國對細分驅動(dòng)技術(shù)的研究,起步時(shí)間與國外相差無(wú)幾。

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

最初,對步進(jìn)電機相電流的控制是由硬件來(lái)實(shí)現的,通常采用兩種方法，采用多路功率開(kāi)關(guān)電流供電,在繞組上進(jìn)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(jīng)功率管線(xiàn)性放大,獲得階梯形電流,優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)性區會(huì )引起失真、由于本身不可克服的缺點(diǎn),因此目前已很少采用這兩類(lèi)方法。