步进电机发生失步和振荡的原因

　　本文主要是关于步进电机的相关介绍，并着重对发生失步和振荡的原因进行了相近的阐述。

　　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开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，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机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

　　步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，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。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

　　主要分类

　　步进电机从其结构形式上可分为反应式步进电机（Variable Reluctance，VR）、永磁式步进电机Permanent Magnet，PM）、混合式步进电机（Hybrid Stepping，HS）、单相步进电机、平面步进电机等多种类型，在我国所采用的步进电机中以反应式步进电机为主。步进电机的运行性能与控制方式有密切的关系，步进电机控制系统从其控制方式来看，可以分为以下三类：开环控制系统、闭环控制系统、半闭环控制系统。半闭环控制系统在实际应用中一般归类于开环或闭环系统中。

　　反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。

　　永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。

　　混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

　　按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

　　选择方法

　　步进电机和驱动器的选择方法：

　　判断需多大力矩：静扭矩是选择步

　　进电机的主要参数之一。负载大时，需采用大力矩电机。力矩指标大时，电机外形也大。

　　判断电机运转速度：转速要求高时，应选相电流较大、电感较小的电机，以增加功率输入。且在选择驱动器时采用较高供电电压。

　　选择电机的安装规格：如57、86、110等，主要与力矩要求有关。

　　确定定位精度和振动方面的要求情况：判断是否需细分，需多少细分。

　　根据电机的电流、细分和供电电压选择驱动器。

　　基本原理

　　工作原理

　　通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

　　发热原理

　　通常见到的各类电机，内部都是有铁芯和绕组线圈的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。

　　步进电机发生失步和振荡的原因

　　步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机。在未发生失步情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数并不受负载变化的影响，当步进电机接收到一个脉冲信号时，电机就按设定的方向转一个固定的角度（步进角或步距角），通过控制脉冲数和脉冲频率来控制电机角位移量及电机转速从而达到精确的开环控制。另外，步进电机每走一步所转过的角度与理论步距之间总有一定的误差，从某一步到任何一步，也总有一定的误差，但是，步进电机每转一周的步数相同，在不失步的情况下，其步距误差不会长期累积。

　　上面提到的都是在不失步的情况，如何才能避免失步呢？首先我们需要知道造成电机失步的因素：

　　1：步进电机选型不当，电机力矩不够或者物体运动的惯量超过电机自锁力，造成的丢步或失步

　　2：驱动器选型不当，配套的驱动器电流偏小，影响电机正常运转，现在市面上很多电流虚标的驱动器，拿峰值电流当额定电流来忽悠消费者，驱动器选型额定电流应大于步进电机额定电流的1.2-1.5倍

　　3：配套电源选型不当，配套电源应是驱动器额定电源的1.5-2倍，电源虚标比驱动器虚标更严重

　　4：控制部分应排除干扰，远离变频器，防静电。设备做好接地处理，防止感应电，信号线做好屏蔽处理 ，设置好适当启动频率，并做好加减速

　　

　　转子加速度慢于步进电机的旋转磁场即转子速度低于换相速度时，电机会产生失步，这是因为输入电机的电能不足，产生的力矩无法使转子速度跟上定子磁场的旋转速度，从而引起失步。转子平均速度高于定子磁场平均旋转速度，这是定子通电励磁的时间较长，大于步进所需的时间，转子在步进过程中获得过多的能量，导致电机产生的转矩过大从而引起电机越步。

　　

　　以上导致步进电机失步的原因实质是步进电机驱动器选择不当而导致，只有选择正确合适的步进驱动器才能使步进电机发挥其控制精确的优势。选择合适的驱动器需要根据电机的电流，配用大于或等于此电流的驱动器。如果需要低振动或高精度时，可配用细分型驱动器。对于大转矩电机，尽可能用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能。同时对于驱动电源，很多人直接使用开关电源作为驱动电源，但是，一般最好不要使用开关电源，特别是大力矩电机，除非选用比需要的功率大一倍以上的开关电源。因为，电机工作时是大电感型负载，会对电源端形成瞬间的高压。而开关电源的过载性能不好，会保护关断，且其精密的稳压性能又不需要，有时可能造成开关电源和驱动器的损坏。对于步进电机的驱动电源，可以用常规的环形或R 型变压器变压的直流电源。

　　步进电机产生共振是因为电机接收的脉冲频率等于步进电机的固有频率，该频率与驱动器的细分有关系。我们一般使用步进电机时，驱动器的细分能力很重要，共振范围越小越好。对于电机负载惯性较大是由于电机超载而引起，因此在使用时只需注意不要让电机过载即可避免。

　　解决步进电机出现失步的几种方法

　　1，微步电流曲线

　　在大量微步驱动系统中，结合步距角的不均匀性对步进电机失步的影响，采用电流矢量恒幅均匀旋转的细分方法是比较理想的，以两相混合式步进电机为例，通过对电机两相绕组加上正弦电流来实现定子电流合成矢量的“恒幅、均匀”，微步进旋转的两相绕组电流的数学模型表示为：微步参数可以预先计算出来，以表格的形式存储在EPROM中，进行查表获得参数值，通过微步的方式来实现频率的改变，因为不需要经过复杂的计算，就不会过多占用CPU的时间，同时这种方式还可以拟合出更接近理想变化曲线的频率变化来实现步进电机的加速和减速的平稳控制，另外采用这种细分方法也在很大程度上解决了微步距角的不均匀性问题，这将广泛用于精度要求不是特别高的步进电机的控制系统中。

　　2，驱动线路的选择

　　避免失步和减小振动的另一措施在于驱动系统的设计，步进电机的驱动方式有很多种，包括单、双电压驱动，高低电压驱动，0桥驱动，升频升压驱动、斩波恒流驱动和脉宽调制（PWM）恒流驱动等，由于微步驱动需要控制相绕组电流的大小，因此只有单电压串电阻驱动、斩波恒流驱动以及PWM恒流驱动的适合微步驱动控制，单电压串电阻驱动方式由于串接的电阻导致电路时间常数降低，截止时续回流时间常数大幅度下降，从而加速电流泄放，有利于提高步进电机的高频响应，同时也因为回路增加的阻尼利于减少电机的共振，但其主要缺点是损耗大，效率低;采用斩波恒流驱动时，驱动电压较高，电流上升很快，当达到所需要的数值时，由于取样电阻反馈控制作用，绕组电流可以恒定在确定的数值上，而且不随电机的转速而变化，从而保证在很大的频率范围内电机都能输出恒定的转矩，同时采用斩波恒流驱动的另一优点是减少了电机共振现象的发生，由于电机共振的基本原因是能量过剩，而斩波恒流驱动输入的能量是自动随着绕组电流调节，能量过剩时，续流时间延长，而供电时间减小，因此可减小能量的积聚PWM恒流驱动用数字脉冲直接控制电流波形的占空比，比斩波恒流驱动的电路更简单，也更适合于单片机直接采用数字信号控制，因此选择采用PWM恒流驱动的驱动器。

　　3，加速曲线的选择

　　在控制步进电机的失步方面，步进电机的加速曲线也非常重要，加速的规律一般有两种，一是按照直线规律升速，二是按指数规律升速！按直线规律升速时加速度为恒定，因此要求步进电机产生的转矩为恒值，从电机本身的特性来看，在转速不是很高的范围内，输出的转矩可基本认为恒定！但实际上电机转速升高时，由于反电动势和绕组电感的作用，绕组电流将逐渐减少，因此输出转矩将有所下降，按指数规律升速，加速度逐渐下降，接近电机输出转矩随转速变化的规律，微机在控制步进电机的加速过程中，可用离散办法来逼近理想的升降曲线。

　　4，减轻电磁干扰的措施

　　针对单片机对步进电机的控制系统电磁干扰方面主要采取以下一些措施：在单片机和步进电机驱动回路中加入光电隔离电路可以有效抑制电磁干扰，提高系统的稳定性;在驱动回路中降低，开关的导通速度，这样可以减小产生电磁干扰的强度，也可添加吸收回路，抑制浪涌的产生，合理选择主变压器的铁芯结构，降低漏磁强度;另外一个比较重要的方面就是电子线路的合理布局，控制干扰源与被干扰元件的距离和相对方向，使敏感元件远离干扰源，不同用途的联接线要分开，不走平行线，一个回路的布线在中间位置相互交叉且回路左右两半的面积要大致相等，减少感生电势，导线宜选用屏蔽线以及合理的接地设计等，采取这些措施将有效地减少电磁干扰对单片机控制系统的影响。

　　结语

　　关于步进电机的相关介绍就到这了，希望本文能对你有所帮助。

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