步进电机的介绍、分类以及应用中出现的问题

01概述：

步进电机是一种数字控制电动机，其接受控制脉冲信号并相应的转动一定的角度。实际运用中步进电机与控制器是不可分割的整体，通过单片机、DSP 等微控制器产生的控制脉冲信号是弱电信号，需要经过驱动电路功率放大后才可以作用在电机的绕组上，使绕组按一定顺序通电。只要各相绕组按既定的顺序轮流通电，步进电机就能产生所需的步进运动。

因为其开环控制具有较高的分辨率，步进电机作为经济型数控机床的核心，在数控机械中得到了广泛的应用。经过长期的发展，步进电机在数字控制的许多领域都得到了相关的应用，其作为控制用电机或驱动用电机在办公自动化设备、计算机外设和工业机械等领域有较多的应用实例。近年来，微电子技术、大功率电力电子器件及驱动技术的迅速发展，进一步促进了步进电机的发展。

02步进电机分类：

步进电机一般可分为以下三类：

1、反应式步进电机。反应式步进电机定子由硅钢片叠成，相对的两个磁极缠有缠绕方向不同的同一绕组，通电时形成一对 N、S 极，电机转子中没有绕组。电机转子是由软磁材料制成的，转子磁极外表面和定子磁极内表面有许多个大小相同、间距相同的小齿。电磁力是反应式步进电机产生运动的动力，在电磁力的作用下，转子会运动到****磁导率（或者最小磁阻）的位置，并处于平衡状态。

2、永磁式步进电机。永磁式步进电机转子的材料是永磁性的，转子与定子的极数相同，电机输出转矩大，步距角相对较大，但工作性能良好。

3、混合式步进电机。混合式步进电机定子的结构与反应式步进电机相同，转子在轴向分为两段，两段铁芯外围圆周方向都均匀分布着相同数量、尺寸的小齿，但相互错位半个齿距。两段铁芯中间嵌入永磁铁，使得转子一端铁芯呈 N 极，另一端铁芯呈 S 极，如图 1.1 所示。转子的 N、S 极性不变，通过控制定子绕组电流实现定子磁极的 N、S 极性的顺序变化，对转子的 N、S 极产生相应的作用力，推动转子按要求旋转。因为混合式步进电机转子的永磁磁场也产生一部分的转矩，所以比反应式步进电机仅由定子磁场产生的转矩要大。

步进电机有如下的特点：

（1）步距角稳定，只与电机结构等有关，不受电压、电流、温度等各种干扰因素影响；

（2）步进电机的转动角度与控制脉冲的数目成正比，没有累积误差；

（3）步进电机动态性能好，启停、正反转及变速都能在少数控制脉冲内完成；

（4）步进电机开环控制系统简单可靠，加上检测反馈环节，可构成高性能的闭环控制系统；

（5）步进电机在中低速时具有较大转矩，能够比相同级别的伺服电机提供更大的扭矩输出；

（6）步进电机体积小，在狭窄的空间内仍可顺利安装，并提供较高转矩输出；

步进电动机的主要缺点是效率低；不能直接使用交流或直流电源，需要适当的驱动电源才能运行；带负载惯量的能力不强；在应用中可能出现低频振荡和失步的现象。

03步进电机应用中的问题：

步进电机一般运用在精度和稳定性要求不高的开环系统中，可能存在失步并且无法准确及时的对失步进行检测补偿的问题，导致系统的精度降低。步进电机闭环控制能从根本上解决失步的问题，提高步进电机的工作性能，不仅可以实现步进电机更加精确的位置和稳定的转速控制，还可以使步进电机获得更大的通用性。电力电子器件和微处理器的发展为步进电机闭环控制性能的提高提供了基础，步进电机的闭环控制正逐渐向数字化、智能化、模块化方向发展。

在实现步进电机简单有效的闭环控制中，如何获取电机转子位置和速度反馈信号是相当重要的一个环节。传统的步进电机闭环控制多采用光电编码器或者旋转变压器等机械传感器检测步进电机转子的速度、位置，并将反馈信号与输入脉冲相比较，从而对失步进行补偿。运用机械位置传感器实现步进电机的失步补偿，会增加步进系统的复杂性，大大的削弱步进电机的竞争力，限制了它的应用场合，而且增加了电机与控制系统之间的连接线路和接口电路，使系统易受环境干扰，降低了系统的可靠性。为了解决机械传感器带来的各种缺陷，需要研究步进电机无位置传感器控制。

步进电机无位置传感器控制的相关文献较少，而且几乎都是保密性质的，但无位置传感器控制在无刷直流电机、永磁同步电机等电机中的应用有较多的研究，相关文献较多。混合式步进电机与永磁凸极同步电动机在作用机理上相似，虽有不同之处，但从本质上，混合式步进电机可以说是一种低速凸极永磁同步电机，混合式步进电机控制可以参考永磁同步电动机的控制策略来研究和设计。无位置传感器控制在永磁同步电机中的应用对步进电机无位置传感器控制的研究有一定的借鉴意义。

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