步进电机？如何控制？

一、步进电机？如何控制？

本文将为您介绍步进电机的基础知识，包括其工作原理、构造、控制方法、用途、类型及其优缺点。

步进电机基础知识

步进电机是一种通过步进（即以固定的角度移动）方式使轴旋转的电机。其内部构造使它无需传感器，通过简单的步数计算即可获知轴的确切角位置。这种特性使它适用于多种应用。

步进电机工作原理

与所有电机一样，步进电机也包括固定部分（定子）和活动部分（转子）。定子上有缠绕了线圈的齿轮状突起，而转子为 永磁体或可变磁阻铁芯。稍后我们将更深入地介绍不同的转子结构。图1显示的电机截面图，其转子为可变磁阻铁芯。

步进电机的基本工作原理为：给一个或多个定子相位通电，线圈中通过的电流会产生磁场，而转子会与该磁场对齐；依次给不同的相位施加电压，转子将旋转特定的角度并最终到达需要的位置。图2显示了其工作原理。首先，线圈A通电并产生磁场，转子与该磁场对齐；线圈B通电后，转子顺时针旋转60°以与新的磁场对齐；线圈C通电后也会出现同样的情况。下图中定子小齿的颜色指示出定子绕组产生的磁场方向。

步进电机的类型与构造

步进电机的性能（无论是分辨率/步距、速度还是扭矩）都受构造细节的影响，同时，这些细节也可能会影响电机的控制方式。实际上，并非所有步进电机都具有相同的内部结构（或构造），因为不同电机的转子和定子配置都不同。

转子

步进电机基本上有三种类型的转子：

• 永磁转子：转子为永磁体，与定子电路产生的磁场对齐。这种转子可以保证良好的扭矩，并具有制动扭矩。这意味着，无论线圈是否通电，电机都能抵抗（即使不是很强烈）位置的变化。但与其他转子类型相比，其缺点是速度和分辨率都较低。图3显示了永磁步进电机的截面图。

• 可变磁阻转子：转子由铁芯制成，其形状特殊，可以与磁场对齐（请参见图1和图2）。这种转子更容易实现高速度和高分辨率，但它产生的扭矩通常较低，并且没有制动扭矩。
• 混合式转子：这种转子具有特殊的结构，它是永磁体和可变磁阻转子的混合体。其转子上有两个轴向磁化的磁帽，并且磁帽上有交替的小齿。这种配置使电机同时具有永磁体和可变磁阻转子的优势，尤其是具有高分辨率、高速度和大扭矩。当然更高的性能要求意味着更复杂的结构和更高的成本。图3显示了这种电机结构的简化示意图。线圈A通电后，转子N磁帽的一个小齿与磁化为S的定子齿对齐。与此同时，由于转子的结构，转子S磁帽与磁化为N的定子齿对齐。尽管步进电机的工作原理是相同的，但实际电机的结构更复杂，齿数要比图中所示的更多。大量的齿数可以使电机获得极小的步进角度，小至0.9°。

定子

定子是电机的一部分，负责产生转子与之对齐的磁场。定子电路的主要特性与其相数、极对数以及导线配置相关。 相数是独立线圈的数量，极对数则表示每相占用的主要齿对。两相步进电机最常用，三相和五相电机则较少使用（请参见图5和图6）。

步进电机的控制

从上文我们知道，电机线圈需要按特定的顺序通电，以产生转子将与之对齐的磁场。可以向线圈提供必要的电压以使电机正常运行的设备有以下几种（从距离电机更近的设备开始）：

• 晶体管桥：从物理上控制电机线圈电气连接的设备。晶体管可以看作是电控断路器，它闭合时线圈连接到电源，线圈中才有电流通过。每个电机相位都需要一个晶体管电桥。
• 预驱动器：控制晶体管激活的设备，它由MCU控制以提供所需的电压和电流。
• MCU：通常由电机用户编程控制的微控制器单元，它为预驱动器生成特定信号以获得所需的电机行为。

图7为步进电机控制方案的简单示意图。预驱动器和晶体管电桥可以包含在单个设备中，即驱动器。

步进电机驱动器类型

市面上有各种不同的 步进电机驱动器，它们针对特定应用具有不同的功能。但其最重要的特性之一与输入接口有关，最常见的几种输入接口包括：

• Step/Direction （步进/方向） –在Step引脚上发送一个脉冲，驱动器即改变其输出使电机执行一次步进，转动方向则由Direction引脚上的电平来决定。
• Phase/Enable（相位/使能） –对每相的定子绕组来说，Enable决定该相是否通电， Phase决定该相电流方向，。
• PWM – 直接控制上下管FET的栅极信号。

步进电机驱动器的另一个重要特性是，除了控制绕组两端的电压，它是否还可以控制流过绕组的电流：

• 拥有电压控制功能，驱动器可以调节绕组上的电压，产生的扭矩和步进速度仅取决于电机和负载特性。
• 电流控制驱动器更加先进，因为它们可以调节流经有源线圈的电流，更好地控制产生的扭矩，从而更好地控制整个系统的动态行为。

单极/双极电机

另一个可能对电机控制产生影响的特性是其定子线圈的布置，它决定了电流方向的变化方式。为了实现转子的运动，不仅要给线圈通电，还要控制电流的方向，而电流方向决定了线圈本身产生的磁场方向（见图8）。

步进电机可以通过两种不同的方法来控制电流的方向。

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二、步进电机如何控制正反转？

对于四相步进电机，它有四个绕组，设为：ABCD，只要对四个绕组按：AB-BC-CD-DA-AB的次序通电就可正转，按：AB-AD-DC-BC-AB的次序通电就可反转，要实现这些功能，如果不用驱动器，可用专用集成电路，或用通用集成电路搭配一驱动电路。

三、步进电机如何控制加速度？

有多种方式，可以用位置控制模式，PLC发送一定频率的脉冲给伺服驱动器，设置一定的电子齿轮比，电机就会按一定的速度运转，改变电机的速度只需要改变一下脉冲的频率就行，也可以用速度控制模式，用PLC输出一个0到正负10伏的模拟量电压到伺服驱动器，设置一个速度指令增益参数，就可以控制电机的转动了，电机的转速正比于模拟量的电压值。

四、步进电机如何控制任意位置停止？

答:步进电机控制在任何位置停止是，通过控制器和抱闸来实现的。

五、步进电机如何控制想走的位置？

步进电机是一种精密电机，它的控制方式通常有两种：

1. 开环控制：这种控制方式只能控制步进电机的转速和方向，不能确定准确位置。但是因为步进电机的工作原理，每转一步都会有一个固定的转角，所以可以通过控制步进电机每步的步数来达到控制位置的目的。

2. 闭环控制：这种控制方式可以对步进电机的位置进行精确控制。通常，它需要将位置传感器安装在步进电机上，通过这些传感器实时地反馈步进电机的实际位置，从而控制步进电机的位置。

总之，使用步进电机时，可以根据具体应用的需要，选择不同的控制方式，以实现对步进电机的准确控制。同时，这也需要掌握一定的电机控制知识和技术，才能更好地完成相应的工作。

六、步进电机如何控制电机的正反转？

步进电机的正反转控制可以通过控制步进电机驱动器的输出脉冲方向来实现。

　　步进电机的正转和反转是相对的，如果希望步进电机正转，则需要按照设定的脉冲方向输出一定的脉冲，这些脉冲将使电机顺时针或逆时针旋转。如果希望步进电机反转，则需要反转脉冲方向输出脉冲，这些脉冲将使电机逆时针或顺时针旋转。

七、三线步进电机如何控制反转？

要控制三线步进电机反转，需要改变电机的相序。通常，三线步进电机有两种驱动方式：单相驱动和双相驱动。在单相驱动中，只有一组线圈被激活，而另一组线圈处于断开状态。要实现反转，只需改变激活的线圈组即可。在双相驱动中，两组线圈分别被激活，通过改变激活的线圈组的相序，可以实现反转。通过控制电机驱动器的输入信号，可以改变相序，从而实现三线步进电机的反转。

八、两台步进电机如何控制流水线走向

可以两台步进电机在流水线两头一头一个，然后同步运行就可以了。

九、如何控制步进电机？

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的一种控制电机。在未超载的情况下，步进电机的转速、停止的位置只取决于输入脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。也就是说给步进电机使加一个脉冲信号，电机就会转过一个步距角。所以，步进电机是一种线性控制器件，而且步进电机只有周期性的误差而没有累积误差。这样在速度、位置等控制领域，采用步进电机可以使控制变的非常简单。

步进电机有三种类型：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）。

永磁式一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；

反应式一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大，已被逐渐淘汰；

混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此使用步进电机要涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

十、如何用Python 控制步进电机？

如果你的步进电机驱动器有RS232或RS485端口的话，直接使用python控制PC的COM口发送数据控制就好了。