步進電機概述

步進電機相比於一般的直流電機的控制方式更為靈活，並且具備較高的控制精準度。除此以外，步進電機所具備的最顯著的優勢在於擁有一定的數字化能力，可通過控制器或者微處理器傳送PWM脈衝訊號，將電訊號轉變為數字訊號後可以實現驅動控制步進電機旋轉一定的角度，如圖2-1所示。並通過脈衝的方式來對其角度進行控制，在連續輸入數個脈衝後即可實現對其連續執行。連續脈衝啟動下的步進電機，可依照輸入的脈衝個數進行連續的旋轉運動，相較於傳統的直流電機，這種控制方式的位置精度以及控制穩定性都得到了巨大的提升。由於相關配套技術的發展在提升了步進電機的工作穩定性的同時也大幅度的降低了其成本，因此越來越多的傳動系統都使用步進電機工作，在使用的過程中，可將其視為一個位置轉換和電脈衝訊號轉換的裝置，只需通過對處理器輸出的脈衝頻率進行控制，就可以控制電機旋轉，能夠大幅度減化了電機控制的工作量。

圖 2-1 步進電機脈衝驅動

現階段市場能夠選擇的步進電機中以結構進行劃分可分為三類。分別是：永磁式、反應式和混合式三類電機。其中最被人們推崇與使用用途的範圍最大的是永磁式步進電機，其作為步進電機，是極為重要的一類。電機的內部結構中的定子和轉子具有相同的極數，轉子由永磁材料構成，基於這種設計結構使得此類電機具備極好的動態效能，其輸出力矩較大，但考慮到其控制的精準程度極差且步距角很大，此類電機已經無法滿足現代化自動裝置的高精度控制需求；反應式步進電機價格很便宜，製作工藝要求不高，但執行效能較差，必須上電才能工作，效率低，功耗大容易發熱等，壽命和可靠性低；結合以上的分析並基於已有的電機型別加以改進，混合式步進電機橫空出世。結合了上述兩種電機的優點，在能夠保持較好的動態效能的同時，其輸出的力矩也較大，步進角度也小，精度高，可以滿足生產與生活中某些裝置控制的高精度需求。 步進電機控制系統的組成可以劃分為很多種，但大部分都可以劃分成為是由作業系統部分與運動控制部分系統兩個部分組合而成。通過作業系統進行處理後，把操作訊號轉化為電訊號，便於進行資訊的快速接收，執行部分並做出相應的反應，從而完成規定設計的機械動作。運動控制就是對即對靜止或者移動的物體的速度和位置與狀態進行控制，經典的運動控制系統一般都會分為三部分，分別是執行、控制以及驅動三部分。目前步進電機的控制方式主要有兩種：開環控制和閉環控制。

（1）開環控制

作為步進電機初始階段使用的最直接，最容易操作，最簡單，最常見的開環控制方法，其控制框圖如圖2-2所示。在此控制模式下，僅通過脈衝控制器生成的脈衝來執行電動機的速度和位置控制，並且電動機的工作狀態會按照輸出的脈衝波進行變化。控制系統中也會因為沒有反饋的訊號而無法形成反饋電路。沒有這個訊號也不能判斷其執行狀態。其轉子也只會在在磁場中受力旋轉，一旦無法做出正確的響應就會出現故障。勵磁變化過快也不行，會影響電機執行的精度，增大實際執行誤差。在速度變化較快和電機有大負載的改變時，電機會有不可控的執行誤差，也經常會失步。隨著科技的變化使得配合電機的開環控制系統也逐漸發展起來。

圖 2-2 步進電機開環控制

（2）閉環控制

由於以上控制方法一直以來在執行的過程中都存在誤差，沒有能力滿足越來越高的需求。經過改進得出了閉環控制。其可對電機的執行狀態與資料進行直接與間接的採集並把採集後的資料傳送給電機控制器。能夠讓電機瞭解實時帶負載狀態並且更為快速的調整執行位置。此控制型別結構上是一個閉環型結構，因此稱之為閉環控制。圖2-3所示所示即為閉環控制圖。

圖 2-3 步進電機閉環控制

該技術的使用，其實就是在開環控制的方式上加入一個反饋單元，但這也讓它的組成部分更多也更難實現。而高效能的器件的使用提高了其成本，受限於價格而很難再市場競爭從中勝出。由於化學與電子學的突破，高精度器件的的成本迅速降低，效能越來越高，越來越被市場所接受，逐漸成為控制電機的主要方案。