步进电机基本原理
步进电机是将电脉冲信号转变为转动角度的控制元件。在正常情况下，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。给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得其在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。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。目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式(就是我们的正在使用的混合式)步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。
一、 步进电动机有如下特点
1) 步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性。
2) 由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
3) 步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。
4) 速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。
5) 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。
6) 步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。
二、 步进电动机的种类
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。
1) 反应式步进电动机(VR)。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小;但动态性能差。反应式步进电机一般为三相，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。反应式步进电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。
2) 永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大，动态性能好;但步距角大。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度;
3) 混合式步进电动机(HB)。混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。混合式步进电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，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。
三、 反应式步进电机工作原理
反应式步进电机原理由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。
1) 结构：图1是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。电机的定子上有六个均布的磁极，其夹角是60o。各磁极上套有线圈，按图1连成A、B、C三相绕组。转子上均布40个小齿。所以每个齿的齿距为θE=360o/40=9o，而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。由于定子和转子的小齿数目分别是30和40，这就产生了所谓的齿错位的情况。
1——定子 2——转子 3——定子绕组
2) 旋转：若开始时A相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图1，那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距，即3o。 此时若只给B相通电，转子受到反应转矩(磁阻转矩)的作用而转动，直到B磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过3o;此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。接着改为只给C相绕组通电，转子将按顺时针方向再转过3o。依次类推，当三相绕组按A→B→C→A顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动3o的规律步进式转动起来。若改变通电顺序，按A→C→B→A顺序循环通电，则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3o的规律转动。
3) 力矩：电机一旦通电，在定转子间将产生磁场。当转子与定子错开一定角度产生力F与磁场强度成正比。电机有效体积越大，励磁电流和线圈圈数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。
四、 感应子式步进电机(我们正在用的电机属于这一类)
1) 结构：感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。
感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。(必须采用双极电压驱动)，而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现其条件为C= ,D= . 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线(四相)，这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。
2) 分类：感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号(电机外径)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。
五、 步进电机的一些基本参数
1) 电机固有步距角： 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°(表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°)，这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。
2) 步进电机的相数： 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。
3) 保持转矩(HOLDING TORQUE)：静转矩：是指步进电机通电但没有转动时(不输入步进脉冲或者说输入直流信号)，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。 此力矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。
4) DETENT TORQUE：定位转矩：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解;由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。用手旋转转子时能感觉到。
5) 步距角精度： 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
6) 失步： 电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。
7) 失调角： 转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。
8) 最大空载起动频率： 电机在某种驱动形式、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。 就是最大的 突增(突然增大) 步进频率。步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，,并伴有啸叫声。可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。
9) 最大空载的运行频率： 电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。
10) 运行矩频(力矩和步进频率)特性： 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。
11) 其他特点1 步进电机外表允许的最高温度： 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
12) 其他特点2 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高，反向电动势越大。加载线圈上的有效电压就被消减了，(供点电压减去反电动势)在它的作用下，电机随频率(或速度)的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
六、 步进电机驱动器的原理
步进电机的运行要有一电子装置进行驱动, 这种装置就是步进电机驱动器, 它是把控制系统发出的脉冲信号,加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速;控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，如图2所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口，这里予以简单介绍。
典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成：
1) 步进控制器，由单片机实现。
2) 驱动器，把单片机输出的脉冲加以放大，以驱动步进电机。
3) 步进电机。
4) 典型的步进电机驱动控制电路图如下
步进电动机驱动控制器
斩波恒流功率驱动
恒流驱动的设计思想是，设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。使电机具有恒转矩输出特性。这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。
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