步进电机运动控制系统解析

摘要: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元件。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，即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。步进电机的调速一般是改变输入步进电机的脉冲的频率来实现步
进电机的调速，因为步进电机每给一个脉冲就转动一个固定的角度，这样就可以通过控
制步进电机的一个脉冲到下一个脉冲的时间间隔来改变脉冲的频率，延时的长短来具体
控制步进角来改变电机的转速，从而实现步进电机的调速。

前言
步进电机最早是在 1920 年由英国人所开发。1950 年后期晶体管的发明也逐渐应用在

步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机
已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统
中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，
尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得
最多。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。
步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数
字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转
两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它
就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输
入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所
需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子
保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制。步进电机还具有快速启动、精确
步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。
步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电
能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。步进电机可以作
为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于各种
开环控制。
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。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；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。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。

1 步进电机的特点：

）一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。

）步进电机外表允许的温度高。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。