馬百宏

（濟南二機床集團有限公司，山東 濟南 250022）

步進電動機最初的模型記載于19 世紀30 年代—19 世紀60 年代間。在20 世紀60年代末，永磁材料發(fā)展迅速，許多類型的步進電動機開始產(chǎn)生，而半導(dǎo)體技術(shù)的產(chǎn)生帶動了步進電動機廣泛的使用。我國步進電動機的設(shè)計開始于20 世紀50 年代末，在50 年代末到60 年代末，主要是一些少量的大學(xué)和國家科研機構(gòu)對簡單的產(chǎn)品設(shè)備的鉆研和設(shè)計。我們在文革期間全國開始大規(guī)模制造和使用步進電動機，比如：江蘇，浙江，北京，天津，哈爾濱等地區(qū)都開始大量的制造，并且投入使用到生產(chǎn)生活中。隨著幾十年不斷的突破，不斷的研究設(shè)計，步進電動機才日漸成熟起來，逐漸地作為一種基本類型的電動機更多的投入到生產(chǎn)生活中[1]。

步進電動機控制系統(tǒng)由控制電路、驅(qū)動電路、步進電動機和直流電源組成。在步進電動機控制系統(tǒng)中，單片機作為控制機構(gòu)，步進電動機作為執(zhí)行機構(gòu)，兩者各司其職，相互約束又相互緊密聯(lián)系。在微電子技術(shù)日益成熟的影響下，為了提高步進電動機的需求在工作生活中的使用。雖然步進電動機應(yīng)用極為普遍，但步進電動機并不能像普通的直流電動機，交流電動機一樣在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)才能使用。因此，正確使用好步進電動機是不容易的，它涉及到很多專業(yè)知識的學(xué)習和研究，比如機械，電氣，單片機等專業(yè)方面，這都需要深入的研究。

單片機類似于一個微型的計算機，也稱為單片微控制器。廣義的講：一塊芯片構(gòu)成的微型計算機，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，體積小，運行穩(wěn)定，重量輕，價格低廉等，所以為單片機的學(xué)習，使用和發(fā)展提供了有利的基礎(chǔ)，這也廣泛使用于大批量低成本產(chǎn)品的設(shè)計與制造。

步進電動機是一種可由電脈沖信號控制運動的特殊同步電動機，也是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電，多相時序控制電流，用這種電流作為步進電動機供電，步進電動機才能正常工作。其中驅(qū)動器就是專門為步進電動機分時供電的，多相時序控制器。步進電動機內(nèi)部由定子與轉(zhuǎn)子兩部分組成。其中定子上有繞組，步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次,它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一定的角度。電動機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向相一致。當定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度，轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。它輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速n 或線速度v 與脈沖頻率f 成正比，在負載能力范圍內(nèi)，這些關(guān)系不因電源電壓、負載大小以及環(huán)境條件的波動而變化。改變繞組通電的順序，電動機就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電動機的轉(zhuǎn)動，通過控制頻率的脈沖信號，它可以準確地控制電動機的速度[2]。

對于步進電動機的控制系統(tǒng)，人們總希望它能用最短的時間達到最終的控制效果。所以需要步進電動機的轉(zhuǎn)速盡量地快而且穩(wěn)，但是速度也不能太快，否則可能會產(chǎn)生失步。此外，日常的步進電動機空載運行時最高的起動頻率都應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)。當步進電動機帶負載啟動運行時，它的空載運行時的最高起動頻率要高于負載時的起動頻率。當步進電動機起動時，步進電動機的運行頻率比起動頻率大得多。因此，一個靜態(tài)的步進電機不能瞬時穩(wěn)定到一個更高的工作頻率，一開始它必須有一個加速過程。步進電動機系統(tǒng)控制核心用單片機來控制電動機的自動加減速，以避免電機轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生失步。因為單片機控制脈沖的頻率增大，步進電動機的轉(zhuǎn)速也增大，所以對步進電動機加速或者減速，本質(zhì)上是對單片機控制脈沖頻率大小的調(diào)節(jié)。電脈沖控制下的步進電動機，只要在允許的轉(zhuǎn)速內(nèi)，就能夠穩(wěn)定啟動、正反轉(zhuǎn)切換、停轉(zhuǎn)以及加減速。只要控制步進電動機步距小，位移量小，步距準確度高，不失去步驟或多個步驟就能夠提高其精度。

步進電動機的控制和其他控制電機之間有很大的區(qū)別，步進電動機都嚴格控制電脈沖的信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的角位移或電動機的線性位移，它最顯著的優(yōu)點是在規(guī)定的頻率內(nèi)，通過脈沖頻率大小的變化，以實現(xiàn)對電機速度，快速啟動和快速停止，正反轉(zhuǎn)控制等。步進電動機的控制由單片機來完成，利用單片機控制性能可以控制步進電動機的驅(qū)動電路。

步進電動機的驅(qū)動系統(tǒng)；步進電動機不能在AC-DC 電源間直接工作，它必須使用特殊的設(shè)備步進電動機驅(qū)動器。步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與電機本身的性能有關(guān)以外，也在很大程度上由驅(qū)動器的優(yōu)劣決定。步進電動機控制器發(fā)出步進脈沖和方向信號，每發(fā)一個脈沖，步進電機驅(qū)動器驅(qū)動其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個步距角，即向前步進一步。步進電動機轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動或停止都由脈沖的有無或頻率的高低而決定。控制器的方向信號決定步進電動機的順時針旋轉(zhuǎn)還是逆時針旋轉(zhuǎn)。步進電動機驅(qū)動器一旦接收到來自控制器的方向信號和步進脈沖，控制電路就按預(yù)先設(shè)定的電機通電方式產(chǎn)生步進電動機各相勵磁繞組導(dǎo)通或截止信號。由于控制電路輸出的信號功率很低，不能提供步進電動機所需的輸出功率，必須進行功率的放大，這些就是步進電動機驅(qū)動器的功率驅(qū)動部分[4]。

隨著電子技術(shù)不斷的完善，日益的成熟，為步進電動機在社會上的應(yīng)用范圍提供了條件。目前，步進電動機的應(yīng)用已經(jīng)十分的普遍，比如在某些數(shù)控機床加工、機器人制造、自動記錄儀表都有應(yīng)用。步進電動機工作的場合一般都要求比較高，工作的難度比較大，它所加工的部件精度要求也比較高。